(57)【要約】【課題】燃焼部におけるオフガスへの着火性が向上された燃料電池装置を提供する。【解決手段】複数の前記燃料電池セルユニット１６の配列からなる燃料電池セル集合体１２と、燃料電池セルユニット１６の外部に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（４５）と、燃料電池セル集合体１２の上方に位置し、燃料電池セルユニット１６の上端部から流出する燃料ガスと酸化剤ガス供給手段により供給された酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼室１８と、燃焼室１８において燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスに点火するための点火装置８３とを備え、点火装置８３の点火棒８３ｂの直下近傍のみに、酸化剤ガス供給手段から燃焼室１８へ供給される酸化剤ガスの流れを遮断する酸化剤ガス遮蔽板１００が配置され、遮蔽板１００は、複数の燃料電池セルユニット１６ａ〜１６ｄの上端部が貫通した状態で保持されている。【選択図】図１１
2015179611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部流路を通過する燃料ガスと外部の酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池セルユニットを備えた燃料電池装置において、
ハウジング内に配置された複数の前記燃料電池セルユニットの配列からなる燃料電池セル集合体と、
前記燃料電池セルユニットの外部に前記ハウジングの下方から酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池セル集合体の上方に位置し、前記燃料電池セルユニットの内部流路を通過して前記燃料電池セルユニットの上端部から流出する燃料ガスと前記酸化剤ガス供給手段により供給された酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部において燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスに点火するための点火部を有する点火装置と、を備え、
前記点火装置の点火部の直下近傍のみに、前記酸化剤ガス供給手段から前記燃焼部へ供給される酸化剤ガスの流れを遮断する酸化剤ガス遮蔽板が配置され、
前記酸化剤ガス遮蔽板は、複数の前記燃料電池セルユニットの上端部が前記酸化剤ガス遮蔽板を貫通した状態で、前記燃料電池セル集合体に対して保持されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記点火装置の点火部は、前記燃料電池装置の上面視において、前記燃料電池セルユニットの内部流路からずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記点火装置の点火部は、前記燃料電池装置の上面視において、隣接する複数の前記燃料電池セルユニットの内部流路と近接する位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記酸化剤ガス遮蔽板は、前記燃料電池装置の上面視において略正方形であり、４本の前記燃料電池セルユニットの上端部が行列状に貫通しており、
前記点火装置は、プローブ状の前記点火部が、少なくとも前記酸化剤ガス遮蔽板の略中央まで延びていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記点火装置は、セラミックヒータであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記点火装置は、点火プラグであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関し、特に、オフガスに点火するための点火装置を備えた燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（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、他方の側に酸化剤ガス（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】
特開２０１０−１０８６９８号公報（特許文献１）には、固体酸化物形燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置では、ハウジング内に複数の燃料電池セルユニットからなる燃料電池セル集合体が収容されている。この燃料電池セル集合体は、複数の燃料電池セルスタックの配列からなる。各燃料電池セルスタックでは、複数の燃料電池セルユニットの上端部及び下端部がそれぞれ支持板によって結合されることにより複数の燃料電池セルユニットが一体化されている。各燃料電池セルユニットの端部は、支持板を貫通して上下方向に延びている。運転中に燃料電池セルユニットの下端部から内部流路に導入された燃料ガスは、燃料電池セルユニットの内面の燃料極において発電反応に用いられる。一方、燃料極で発電反応に用いられなかった未反応燃料ガス（オフガス）は、内部流路を通過して上端部から流出し、燃料電池セル集合体の上方に位置する燃焼部へ導かれる。
【０００４】
また、特許文献１に記載の装置では、ハウジングの下方から燃料電池セルユニットの外部の発電室へ導入された酸化剤ガスは、燃料電池セルユニットの外面の酸化剤ガス極又は空気極において発電反応に用いられる。また、発電反応に用いられなかった酸化剤ガスは、上側支持板に設けられた孔及び隣接する上側支持板間の隙間を通過して燃焼部へ導かれる。
【０００５】
このような構成により、特許文献１に記載の装置では、燃焼部において、オフガスと酸化剤ガスとが混合され燃焼される。燃料電池装置は、オフガスと酸化剤ガスとの混合ガスに点火するための点火装置を備えている。点火装置は、点火源（例えば、発熱体又は点火プラグ等）であり、１つ又は複数の燃料電池セルユニットの上端部において、酸化剤ガスの存在の下、流出するオフガスに点火する。さらに、点火した燃料電池セルユニットが熱源となり、隣の燃料電池セルユニットへ次々と火移りが起こっていき、最終的に燃料電池セル集合体のすべての燃料電池セルユニットへ火移りが完了する。これにより、燃料電池セル集合体のすべての燃料電池セルユニットにおいて、オフガスの燃焼が開始される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１０８６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の装置では、支持板によって発電室から燃焼部への酸化剤ガスの流入経路が狭くなるため、燃焼部への酸化剤ガス供給が制限され、良好な燃焼安定性が得られないという問題があった。即ち、燃焼部への酸化剤ガス供給量及び供給位置が限定され、酸化剤ガスの気流を安定させてオフガスと酸化剤ガスとを良好に混合させることが難く、燃焼部において混合気体に対して燃焼させることが難しかった。
【０００８】
一方、支持板を取り除いた場合、発電室から燃焼部への酸化剤ガスへの供給が支持板によって妨げられなくなるので、燃焼部への酸化剤ガスの供給性は向上するが、逆に酸化剤ガスの流れによって、点火させた燃料電池セルユニットからの迅速な火移りが妨げられるという問題がある。
【０００９】
従って、本発明は、燃焼部におけるオフガスへの着火性が向上された燃料電池装置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】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明は、内部流路を通過する燃料ガスと外部の酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池セルユニットを備えた燃料電池装置において、ハウジング内に配置された複数の前記燃料電池セルユニットの配列からなる燃料電池セル集合体と、燃料電池セルユニットの外部にハウジングの下方から酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池セル集合体の上方に位置し、燃料電池セルユニットの内部流路を通過して燃料電池セルユニットの上端部から流出する燃料ガスと酸化剤ガス供給手段により供給された酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼部と、燃焼部において燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスに点火するための点火部を有する点火装置と、を備え、点火装置の点火部の直下近傍のみに、酸化剤ガス供給手段から燃焼部へ供給される酸化剤ガスの流れを遮断する酸化剤ガス遮蔽板が配置され、酸化剤ガス遮蔽板は、複数の前記燃料電池セルユニットの上端部が酸化剤ガス遮蔽板を貫通した状態で、燃料電池セル集合体に対して保持されていることを特徴としている。
【００１１】
このように構成された本発明においては、燃料電池セル集合体の上方に位置する燃焼部において、各燃料電池セルユニットの内部流路を通過して上端部から流出する燃料ガス（オフガス）と、燃料電池セルユニットの外部に供給され燃焼部へ導かれた酸化剤ガスとを燃焼させるように構成されており、燃焼部においてオフガスと酸化剤ガスとの混合ガスは点火装置により点火される。そして、本発明では、点火装置の点火部の直下近傍にのみ、燃焼部へ供給される酸化剤ガスの流れを遮断する酸化剤ガス遮蔽板が配置され、且つ、この酸化剤ガス遮蔽板が、複数の燃料電池セルユニットの上端部が貫通した状態で燃料電池セル集合体に対して保持されている。
【００１２】
このように本発明では、酸化剤ガス遮蔽板によって燃焼部へ供給される酸化剤ガスの流れが遮断又は制限されるが、酸化剤ガス遮蔽板が必要最小限の部分に局所的に配置されているため、この酸化剤ガスの流れの遮断は限定的であり、むしろ酸化剤ガス遮蔽板の周囲を通過する酸化剤ガスを酸化剤ガス遮蔽板の上方へ回り込ませるような気流を生成することができる。これにより、酸化剤ガスを点火装置の点火部の周囲に集中させることができると共に、酸化剤ガスの集中する気流により、酸化剤ガス遮蔽板を貫通する複数の燃料電池セルユニットの上端部から流出するオフガスも点火部の周囲に集中させることができる。したがって、点火装置の点火部の周囲には燃料リッチな混合ガス雰囲気が形成され、点火が容易となる。
【００１３】
さらに、点火後においては、各燃料電池セルユニットの上端部から延びる燃焼炎が、集中する気流によって、点火部付近で一体化され肥大化し、点火部は大きな燃焼炎に晒される。即ち、単独の燃料電池セルユニットからのオフガスによる燃焼炎よりも大きな燃焼炎が形成される。このため、形成された大きな燃焼炎が大きな熱源となり、酸化剤ガス遮蔽板が設けられた領域以外の燃料電池セルユニットから流出するオフガスに次々と火移りさせ、即ち点火させることが可能となり、すべての燃料電池セルユニットに対して迅速に点火することができる。肥大化した燃焼炎は、酸化剤ガス遮蔽板の上方に設けられた点火装置にまで達する。このように、該酸化剤ガス遮蔽板によりその周囲の気流を積極的に変化させることで、点火装置による点火性を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明では、燃焼時は、酸化剤ガス遮蔽板が取り付けられていない領域では、燃料電池セルユニットの上方に十分な量の発電用空気を供給することができる。さらに、酸化剤ガス遮蔽板が取り付けられている領域においても、酸化剤ガス遮蔽板の遮蔽面積が限定的であるので、酸化剤ガス遮蔽板の上方に酸化剤ガスを回り込ませて供給することができる。このため、酸化剤ガス遮蔽板の上方では、気流の乱れがあったとしても、十分な量の酸化剤ガスを供給すること可能であり、燃焼の安定性を維持することができる。
【００１５】
さらに、本発明では、酸化剤ガス遮蔽板により複数の燃料電池セルユニットを保持することができるので、異なる燃料電池装置間において、点火装置の点火部の近傍における燃料電池セルユニットの位置を均一に揃えることができる。したがって、異なる燃料電池装置間で、点火工程に時間差が生じることを防止することができる。
さらに、本発明では、酸化剤ガス遮蔽板を一部の燃料電池セルユニットの上端にのみ配置しているため、すべての燃料電池セルユニットを覆うように配置した場合と比べて、部材コストを低減することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、点火装置の点火部は、燃料電池装置の上面視において、燃料電池セルユニットの内部流路からずれた位置に配置されている。
このように構成された本発明によれば、点火装置の点火部が、燃料電池セルユニットの内部流路と重ならない位置に配置されているので、複数の燃料電池セルユニットの内部流路に隣接して点火部が配置される。これにより、隣接する複数の燃料電池セルユニットからのオフガスを点火部に集中させて点火することができ、点火を容易とすることができると共に、形成される燃焼炎を大きくすることができ、迅速な火移りを可能とすることができる。このため、点火工程において着火遅れにより、オフガスが燃焼部内等に滞留することや、滞留したオフガスによる爆発的な燃焼の発生を防止することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、点火装置の点火部は、燃料電池装置の上面視において、隣接する複数の燃料電池セルユニットの内部流路と近接する位置に配置されている。
このように構成された本発明によれば、点火部によって複数の燃料電池セルユニットからのオフガスに対して同時に点火させることができ、且つ、大きな燃焼炎を形成することができる。これにより、すべての燃料電池セルユニットに対する点火を迅速に完了することができる。このため、点火工程において着火遅れにより、オフガスが燃焼部内等に滞留することや、滞留したオフガスによる爆発的な燃焼の発生を防止することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、酸化剤ガス遮蔽板は、燃料電池装置の上面視において略正方形であり、４本の燃料電池セルユニットの上端部が行列状に貫通しており、点火装置は、プローブ状の点火部が、少なくとも酸化剤ガス遮蔽板の略中央まで延びている。
このように構成された本発明によれば、酸化剤ガス遮蔽板の大きさを４本の燃料電池セルユニットに対応させ、酸化剤ガスの遮蔽面積を小さくすることができる。これにより、燃焼時に酸化剤ガス遮蔽板の上方のオフガスへの酸化剤ガス供給を安定化させることができる。また、安定供給される酸化剤ガスの存在下で、４本の燃料電池セルユニットから流出する燃料ガスを集中させることにより点火し易さが向上し、さらに、他の燃料電池セルユニットへの火移り性を向上させることができる。
【００１９】
本発明において、点火装置としてはセラミックヒータを用いるとよい。点火装置としてセラミックヒータを用いることにより、周辺の電子機器等にノイズを発生することなく着火することができる。また、セラミックヒータは、点火部がセラミック製であるので、高温下において酸化することなく耐久性を確保することができる。
また、本発明において、点火装置として点火プラグを用いてもよい。点火装置として点火プラグを用いることにより、僅かな電力で確実に点火を行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池装置によれば、燃焼部におけるオフガスへの着火性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システム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酸化物形燃料電池システム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酸化物形燃料電池システム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酸化物形燃料電池システム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酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールからハウジング，断熱材等を取外した状態の斜視図である。
【図７】図６の上面図である。
【図８】本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムを示すブロック図である。
【図９】本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。
【図１０】本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの点火装置の点火棒及び遮蔽板の説明図である。
【図１１】本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの点火工程における動作の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システム（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酸化物形燃料電池システム（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。
【００２３】
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７を介して金属製のケース８が内蔵されている。この密閉空間であるケース８の下方部分である発電室１０には、燃料と酸化剤ガス（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、９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、１４４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。
【００２４】
燃料電池モジュール２のケース８の上述した発電室１０の上方には、燃焼部である燃焼室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。さらに、ケース８は断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料を改質する改質器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、残余ガスの燃焼ガスにより発電用の空気を加熱し、発電用の空気を予熱する熱交換器である空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２５】
次に、補機ユニット４は、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料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）と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ３９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ガス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。
【００２６】
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。
【００２７】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池システム（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酸化物形燃料電池システム（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線に沿った断面図である。
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内のケース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。
【００２８】
改質器２０は、その上流端側の端部側面に純水、改質される燃料ガス、及び改質用空気を導入するための改質器導入管６２が取り付けられている。
改質器導入管６２は、改質器２０の一端の側壁面から延びる円管であり、９０゜屈曲されて概ね鉛直方向に延び、ケース８の上端面を貫通している。なお、改質器導入管６２は、改質器２０に水を導入する水導入管として機能している。また、改質器導入管６２の上端には、Ｔ字管６２ａが接続されており、このＴ字管６２ａの概ね水平方向に延びる管の両側の端部には、燃料ガス及び純水を供給するための配管が夫々接続されている。水供給用配管６３ａはＴ字管６２ａの一方の側端から斜め上方に向けて延びている。燃料ガス供給用配管６３ｂはＴ字管６２ａの他方の側端から水平方向に延びた後、Ｕ字型に屈曲され、水供給用配管６３ａと同様の方向に、概ね水平に延びている。
【００２９】
一方、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａ、混合部２０ｂ、改質部２０ｃが形成され、この改質部２０ｃ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。
【００３０】
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。また、燃料ガス供給管６４の鉛直部の途中には、流路が狭められた圧力変動抑制用流路抵抗部６４ｃが設けられ、燃料ガスの供給流路の流路抵抗が調整されている。
【００３１】
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。
【００３２】
一方、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。
また、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。
【００３３】
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酸化物形燃料電池システム（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の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子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、内部に燃料ガスが流れる内部流路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。
【００３４】
燃料電池セル８４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の内部流路８８と連通する内部流路細管９８が形成されている。
【００３５】
この内部流路細管９８は、内側電極端子８６の中心から燃料電池セル８４の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド６６（図２）から、下側の内側電極端子８６の内部流路細管９８を通って内部流路８８に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子８６の内部流路細管９８は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、内部流路８８から、上側の内側電極端子８６の内部流路細管９８を通って燃焼室１８（図２）に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子８６の内部流路細管９８は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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酸化物形燃料電池システム（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は、８本ずつ２列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット１６は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板６８（図２）により支持されている。これらの下支持板６８には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴が形成されている。
【００４０】
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の外周面と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット１６の外側電極層９２（空気極）の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部１０２ｂが接触することにより、集電体１０２は空気極全体と電気的に接続される。
【００４１】
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）に位置する燃料電池セルユニット１６の空気極８６には、２つの外部端子１０４がそれぞれ接続されている。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の内側電極端子８６に接続され、上述したように、１４４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。
【００４２】
なお、図５に示された燃料電池セルスタック１４は、９組の燃料電池セルスタック１４のうち中央に配置されたものである（図２参照）。この中央に位置する燃料電池セルスタック１４には、図５において各列の左端から２つ目及び３つ目に配置された４本の燃料電池セルユニット１６の上端側に、外形が概ね正方形の遮蔽板１００が取り付けられている。この遮蔽板１００は、下支持板６８と同様なセラミック製（例えば、ＭｇＯ）の平板である。遮蔽板１００に設けられた貫通孔に４本の燃料電池セルユニット１６の内部流路細管９８が挿入された状態で、遮蔽板１００は燃料電池セルユニット１６に対して保持されている。
【００４３】
次に図６及び図７により本実施形態における点火装置８３について説明する。図６はハウジング６，断熱材７等を取外した状態の燃料電池モジュール２の斜視図であり、図７は図６の上面図である。
本実施形態の点火装置８３は、電気式のセラミックヒータであり、電源の印加により本体部８３ａから延びる加熱源である点火棒８３ｂが発熱する。点火装置８３は、点火棒８３ｂがケース８及び断熱材７を貫通してハウジング６の側面から燃焼室１８（図２参照）内に差し込まれている。
【００４４】
図６及び図７に示すように、点火棒８３ｂは、燃焼室１８内において、中央に位置する２列の燃料電池セルユニット１６からなる燃料電池セルスタック１４の列方向に沿って、２つの列の中央部分を通って水平に延びており、最も温度が高くなる先端部分が遮蔽板１００の中央部分上方まで達している。
なお、本実施形態では、点火装置８３としてセラミックヒータを用いているが、これに限らず、電気火花を発生する点火プラグを用いてもよい。この場合、点火源となる電気火花を発生する点火部が遮蔽板１００の上方に位置するように点火プラグを配置すればよい。
【００４５】
次に図８により本実施形態による固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図８は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図８に示すように、固体酸化物形燃料電池システム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。また、制御部１１０には、マイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム（以上、図示せず）が内蔵されており、これらにより、各センサからの入力信号に基づいて、補機ユニット４、インバータ５４等が制御される。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。
【００４６】
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。
【００４７】
電力状態検出センサ１２６は、燃料電池モジュール２の出力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。
【００４８】
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水の流量を検出するためのものである。
水位センサ１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
【００４９】
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、固体酸化物形燃料電池システム（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。
【００５０】
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。
【００５１】
次に、固体酸化物形燃料電池システム１の発電運転時における燃料、発電用空気、及び排気ガスの流れを説明する。
まず、燃料は、燃料ガス供給用配管６３ｂ、Ｔ字管６２ａ、改質器導入管６２を介して改質器２０の蒸発部２０ａに導入されると共に、純水は、水供給用配管６３ａ、Ｔ字管６２ａ、改質器導入管６２を介して蒸発部２０ａに導入される。従って、供給された燃料及び水はＴ字管６２ａにおいて合流され、改質器導入管６２を通って蒸発部２０ａに導入される。発電運転中においては、蒸発部２０ａは高温に加熱されているため、蒸発部２０ａに導入された純水は、比較的速やかに蒸発され水蒸気となる。蒸発された水蒸気及び燃料は、混合部２０ｂ内で混合され、改質器２０の改質部２０ｃに流入する。水蒸気と共に改質部２０ｃに導入された燃料は、ここで水蒸気改質され、水素を豊富に含む燃料ガスに改質される。改質部２０ｃにおいて改質された燃料は、燃料ガス供給管６４を通って下方に下り、分散室であるマニホールド６６に流入する。
【００５２】
マニホールド６６は、燃料電池セルスタック１４の下側に配置された比較的体積の大きい直方体状の空間であり、その上面に設けられた多数の穴が燃料電池セルスタック１４を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側に連通している。マニホールド６６に導入された燃料は、その上面に設けられた多数の穴を通って、燃料電池セルユニット１６の燃料極側、即ち、燃料電池セルユニット１６の内部を通って、その上端から流出する。また、燃料である水素ガスが燃料電池セルユニット１６の内部を通過する際、空気極（酸化剤ガス極）である燃料電池セルユニット１６の外側を通る空気中の酸素と反応して電荷が生成される。この発電に使用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出し、燃料電池セルスタック１４の上方に設けられた燃焼室１８内で燃焼される。
【００５３】
一方、酸化剤ガスである発電用の空気は、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット４５によって、発電用空気導入管７４を介して燃料電池モジュール２内に送り込まれる。燃料電池モジュール２内に送り込まれた空気は、発電用空気導入管７４を介して空気用熱交換器２２の発電用空気流路７２に導入され、予熱される。予熱された空気は、各出口ポート７６ａ（図３）を介して各連絡流路７６に流出する。各連絡流路７６に流入した発電用の空気は、燃料電池モジュール２の両側面に設けられた発電用空気供給路７７を通って下方に流れ、多数の吹出口７７ａから、燃料電池セルスタック１４に向けて発電室１０内に噴射される。
【００５４】
発電室１０内に噴射された空気は、燃料電池セルスタック１４の空気極側（酸化剤ガス極側）である各燃料電池セルユニット１６の外側面に接触し、空気中の酸素の一部が発電に利用される。また、吹出口７７ａを介して発電室１０の下部に噴射された空気は、発電に利用されながら発電室１０内を上昇する。発電室１０内を上昇した空気は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料を燃焼させる。この燃焼による燃焼熱は、燃料電池セルスタック１４の上方に配置された改質器２０の蒸発部２０ａ、混合部２０ｂ及び改質部２０ｃを加熱する。燃料が燃焼され、生成された燃焼ガスは、上方の改質器２０を加熱した後、改質器２０上方の開口部２１ａを通って整流板２１の上側に流入する。整流板２１の上側に流入した燃焼ガスは、整流板２１によって構成された排気通路２１ｂを通って空気用熱交換器２２の入り口である連通開口８ａに導かれる。連通開口８ａから空気用熱交換器２２に流入した燃焼ガスは、開放された各燃焼ガス配管７０の端部に流入し、各燃焼ガス配管７０外側の発電用空気流路７２を流れる発電用空気との間で熱交換を行い、排気ガス集約室７８に集約される。排気ガス集約室７８に集約された排気ガスは、排気ガス排出管８２を介して燃料電池モジュール２の外部に排出される。これにより、蒸発部２０ａにおける水の蒸発、及び改質部２０ｃにおける吸熱反応である水蒸気改質反応が促進されると共に、空気用熱交換器２２内の発電用空気が予熱される。
【００５５】
次に、図９を新たに参照して、固体酸化物形燃料電池システム１の起動工程における制御を説明する。
図９は、起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。なお、図９の縦軸の目盛りは温度を示しており、燃料等の各供給量は、それらの増減を概略的に示したものである。
【００５６】
図９に示す起動工程においては、常温の状態にある燃料電池セルスタック１４の温度を、発電が可能な温度まで上昇させる。
まず、図９の時刻ｔ０において、発電用空気及び改質用空気の供給が開始される。具体的には、コントローラである制御部１１０が、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送って、これを作動させる。上述したように、発電用空気は、発電用空気導入管７４を介して燃料電池モジュール２内に導入され、空気用熱交換器２２、発電用空気供給路７７を経て発電室１０内に流入する。また、制御部１１０は、改質用の酸化剤ガス供給装置である改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送って、これを作動させる。燃料電池モジュール２内に導入された改質用空気は、改質器２０、マニホールド６６を経て、各燃料電池セルユニット１６の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻ｔ０においては、まだ燃料が供給されていないため、改質器２０内において改質反応は発生しない。本実施形態においては、図９の時刻ｔ０において開始される発電用空気の供給量は約１００L/minであり、改質用空気の供給量は約９．０L/minである。
【００５７】
次いで、図９の時刻ｔ０から所定時間後の時刻ｔ１において、燃料の供給が開始される。具体的には、制御部１１０が、燃料供給装置である燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、これを作動させる。本実施形態においては、時刻ｔ１において開始される燃料の供給量は約５．０L/minである。燃料電池モジュール２内に導入された燃料は、改質器２０、マニホールド６６を経て、各燃料電池セルユニット１６の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻ｔ１においては、まだ改質器の温度が低温であるため、改質器２０内において改質反応は発生しない。
【００５８】
次に、図９の時刻ｔ１から所定時間経過した時刻ｔ２において、供給されている燃料への点火工程が開始される。具体的には、点火工程においては、制御部１１０が、点火手段である点火装置８３（図２）に信号を送り、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料に点火する。点火装置８３は、燃料電池セルスタック１４の上端近傍で点火棒８３ｂを発熱させ、これを熱源として、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料に点火する。
【００５９】
図９の時刻ｔ３において着火が完了すると、改質用の水の供給が開始される。具体的には、制御部１１０が、水供給装置である水流量調整ユニット２８（図８）に信号を送り、これを作動させる。本実施形態においては、時刻ｔ３に開始される水の供給量は、２．０cc/minである。時刻ｔ３においては、燃料供給量は、従前の約５．０L/minに維持される。また、発電用空気及び改質用空気の供給量も、従前の値に維持される。なお、この時刻ｔ３において、改質用空気中の酸素Ｏ2と燃料中の炭素Ｃの比Ｏ2／Ｃは約０．３２になる。
【００６０】
図９の時刻ｔ３において着火された後、供給された燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端からオフガスとして流出し、ここで燃焼される。この燃焼熱は、燃料電池セルスタック１４の上方に配置された改質器２０を加熱する。ここで、改質器２０の上方（ケース８の上）には、蒸発室用断熱材２３が配置されており、これにより、燃料の燃焼開始直後において、改質器２０の温度は常温から急激に上昇する。蒸発室用断熱材２３の上に配置されている空気用熱交換器２２には外気が導入されているため、空気用熱交換器２２は、特に燃焼開始直後においては温度が低く、冷却源となりやすい。本実施形態においては、ケース８の上面と空気用熱交換器２２の底面の間に蒸発室用断熱材２３が配置されていることにより、ケース８内の上部に配置された改質器２０から空気用熱交換器２２への熱の移動が抑制され、ケース８内の改質器２０付近には熱が籠もりやすくなる。加えて、蒸発部２０ａの上方の、整流板２１の上側の空間は、燃焼ガスの流れが遅くなる気体滞留空間２１ｃ（図２）として構成されているため、蒸発部２０ａ付近は二重に断熱され、より急速に温度が上昇する。
【００６１】
このように、蒸発部２０ａの温度が急速に上昇することにより、オフガスの燃焼開始後短時間で水蒸気を生成することが可能になる。また、蒸発部２０ａには、改質用の水が少量ずつ供給されているため、多量の水が蒸発部２０ａに貯留されている場合に比べ、わずかな熱で水を沸点まで加熱することができ、早急に水蒸気の供給を開始することができる。さらに、水流量調整ユニット２８の作動開始直後から水が流入するため、水の供給遅れによる、蒸発部２０ａの過剰な温度上昇、及び水蒸気の供給遅れを回避することができる。
【００６２】
なお、オフガスの燃焼開始後、或る程度の時間が経過すると、燃焼室１８から空気用熱交換器２２に流入する排気ガスにより、空気用熱交換器２２の温度も上昇する。改質器２０と空気用熱交換器２２の間を断熱する蒸発室用断熱材２３は、断熱材７の内側に設けられた断熱材である。従って、蒸発室用断熱材２３は、燃料電池モジュール２からの熱の散逸を抑制するものではなく、オフガスの燃焼開始直後において、改質器２０、特に、その蒸発部２０ａの温度を急速に上昇させる。
【００６３】
このようにして、改質器２０の温度が上昇した時刻ｔ４において、蒸発部２０ａを経て改質部２０ｃに流入した燃料と改質用空気が、式（１）に示す部分酸化改質反応を起こすようになる。
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （１）
この部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質部２０ｃ内で部分酸化改質反応が発生すると、その周囲の温度が局部的に急上昇する。
【００６４】
一方、本実施形態においては、着火が確認された直後の時刻ｔ３から改質用の水の供給が開始されており、また、蒸発部２０ａの温度が急速に上昇するように構成されているため、時刻ｔ４においては、既に蒸発部２０ａ内で水蒸気が生成され、改質部２０ｃに供給されている。即ち、オフガスに着火された後、改質部２０ｃの温度が部分酸化改質反応が発生する温度に到達する所定時間前から水の供給が開始され、部分酸化改質反応が発生する温度に到達した時点においては、蒸発部２０ａに所定量の水が貯留され、水蒸気が生成されている。このため、部分酸化改質反応の発生により温度が急上昇すると、改質部２０ｃに供給されている改質用の水蒸気と燃料が反応する水蒸気改質反応が発生する。この水蒸気改質反応は、式（２）に示す吸熱反応であり、部分酸化改質反応よりも高い温度で発生する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （２）
【００６５】
このように、図９の時刻ｔ４に到達すると、改質部２０ｃ内では部分酸化改質反応が発生するようになり、また、部分酸化改質反応が発生することによる温度上昇で、水蒸気改質反応も同時に発生するようになる。従って、時刻ｔ４以降に改質部２０ｃ内で発生する改質反応は、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在した式（３）に示すオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）となる。即ち、時刻ｔ４においてＡＴＲ１工程が開始される。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2       （３）
【００６６】
このように、本発明の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１では、起動工程の全期間において水が供給されており、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が単独で発生することはない。なお、図９に示すタイムチャートでは、時刻ｔ４における改質器温度は約２００℃である。この改質器温度は部分酸化改質反応が発生する温度よりも低いが、改質器温度センサ１４８（図８）により検出されている温度は改質部２０ｃの平均的な温度である。
実際には、時刻ｔ４においても、改質部２０ｃは部分的には部分酸化改質反応が発生する温度に到達しており、発生した部分酸化改質反応の反応熱により、水蒸気改質反応をも誘発される。このように、本実施形態においては、着火された後、改質部２０ｃが部分酸化改質が発生する温度に到達する前から、水の供給が開始されており、部分酸化改質反応が単独で発生することがない。
【００６７】
次に、改質器温度センサ１４８による検出温度が約５００℃以上に到達すると、図９の時刻ｔ５において、ＡＴＲ１工程からＡＴＲ２工程に移行される。時刻ｔ５において、水供給量が２．０cc/minから３．０cc/minに変更される。また、燃料供給量、改質用空気供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＡＴＲ２工程における水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは０．６４に増加される一方、改質用空気と炭素の比Ｏ2／Ｃは０．３２に維持される。このように、改質用空気と炭素の比Ｏ2／Ｃを一定に維持しながら、水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃを増加させることにより、部分酸化改質可能な炭素の量を低下させずに、水蒸気改質可能な炭素の量が増加される。これにより、改質部２０ｃにおける炭素析出のリスクを確実に回避しながら、改質部２０ｃの温度上昇と共に、水蒸気改質される炭素の量を増加させることができる。
【００６８】
さらに、図９の時刻ｔ６本実施形態において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約４００℃以上に到達すると、ＡＴＲ２工程からＡＴＲ３工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が５．０L/minから４．０L/minに変更され、改質用空気供給量が９．０L/minから６．５L/minに変更される。また、水供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＡＴＲ３工程における水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは０．８０に増加される一方、改質用空気と炭素の比Ｏ2／Ｃは０．２９に減少される。
【００６９】
さらに、図９の時刻ｔ７において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約５５０℃以上に到達すると、ＳＲ１工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が４．０L/minから３．０L/minに変更され、水供給量が３．０cc/minから７．０cc/minに変更される。また、改質用空気の供給は停止され、発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＳＲ１工程では、改質部２０ｃ内で専ら水蒸気改質が発生するようになり、水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは、供給された燃料の全量を水蒸気改質するために適切な２．４９に設定される。図９の時刻ｔ７においては、改質器２０、燃料電池セルスタック１４とも、十分に温度が上昇しているので、改質部２０ｃにおいて部分酸化改質反応が発生していなくとも、水蒸気改質反応を安定して発生させることができる。
【００７０】
次に、図９の時刻ｔ８において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約６００℃以上に到達すると、ＳＲ２工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が３．０L/minから２．５L/minに変更され、水供給量が７．０cc/minから６．０cc/minに変更される。
また、発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＳＲ２工程では、水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは、２．５６に設定される。
【００７１】
さらに、ＳＲ２工程を所定時間実行した後、発電工程に移行する。発電工程においては、燃料電池セルスタック１４からインバータ５４（図８）に電力が取り出され、発電が開始される。なお、発電工程では、改質部２０ｃにおいて、専ら水蒸気改質により燃料が改質される。また、発電運転中においては、燃料電池モジュール２に対して要求される出力電力に対応して、燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量が変更される。さらに、発電運転中においては、制御部１１０は、燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量を、燃料電池セルスタック１４の温度が所定の発電温度範囲である適正温度域内になるように制御している。
【００７２】
次に、図１０乃至図１１により本実施形態における点火工程について説明する。図１０は燃料電池セル集合体１２上に配置された点火装置８３の点火棒８３ｂ及び遮蔽板１００の説明図、図１１は点火工程における動作を示す説明図である。
【００７３】
図１０に示すように、本実施形態では、行列状に配列した複数の燃料電池セルユニット１６のうち、略矩形の頂点に位置する隣接する４本の燃料電池セルユニット１６ａ〜１６ｄに、遮蔽板１００が取り付けられている。遮蔽板１００は、上面視で４本の燃料電池セルユニット１６ａ〜１６ｄを覆っている。なお、燃料電池セルユニット１６ａ〜１６ｄの周囲の１２本の燃料電池セルユニット１６と遮蔽板１００との間には上面視で隙間が形成されることが好ましいが、一部が重なっていてもよい。
【００７４】
また、燃料電池セルユニット１６ａ〜１６ｄは、遮蔽板１００の周縁部を横切って上方に通過する酸化剤ガスの流れが対称的になるように、燃料電池セル集合体１２の最端部に位置しないことが好ましい。したがって、本実施形態では、遮蔽板１００が最端部の燃料電池セルユニット１６から２つ目及び３つ目の燃料電池セルユニット１６ａ〜１６ｄに取り付けられているが、例えば、３つ目及び４つ目の４つの燃料電池セルユニット１６に取り付けられてもよい。さらに、本実施形態では、遮蔽板１００が４本の燃料電池セルユニット１６に取り付けられているが、これに限らず、取り付けられる燃料電池セルユニット１６が複数本であればよい。また、本実施形態では、遮蔽板１００が上面視で略矩形の外形を有するが、これに限らず、略円形，楕円形，菱形，台形，平行四辺形等の種々の外形を有していてもよく、外形に合わせて任意の配置の複数本の燃料電池セルユニット１６が選択できる。さらに、後述する迅速な着火完了のためには、遮蔽板１００を燃料電池セル集合体１２の中央に近い位置に配置することが好ましい。
【００７５】
また、点火装置８３の点火棒８３ｂは、その軸方向の全体が発熱するように構成されているが、特に先端部分８３ｃが最も温度が上昇し易くなっており、点火部として機能する。点火棒８３ｂは、鉛直方向に延びる燃料電池セルユニット１６に対して、ハウジング６の側面から略水平方向に延びており、先端部分８３ｃが、遮蔽板１００の上方に達している。さらに、点火棒８３ｂの先端が、上面視で遮蔽板１００の中央部分に達している。また、点火棒８３ｂが燃料電池セルユニット１６の内部流路細管９８から噴き出すオフガスの流れを妨げないように、点火棒８３ｂは、内部流路細管９８の真上からずれた位置を通って延びている。詳しくは、点火棒８３ｂは、上面視で燃料電池セルスタック１４の列方向Ｙに沿うと共に、行方向Ｘにおいて隣接する燃料電池セルユニット１６ａ及び１６ｂの中間位置を通っている。したがって、本実施形態では、点火棒８３ｂの先端部分８３ｃが、燃料電池セルユニット１６ａ及び１６ｂの中間位置に位置し、更に燃料電池セルユニット１６ａ〜１６ｂの中間位置まで延びている。
【００７６】
起動工程の時刻ｔ０（図９参照）において発電用空気の供給が開始され、さらに時刻ｔ１において燃料ガスの供給が開始されると、図１１（Ａ）に示すように、燃料ガス（破線矢印）は、各燃料電池セルユニット１６の内部流路細管９８から噴出され、発電用空気（実線矢印）は、燃料電池セルユニット１６の間を通過して、発電室１０から燃焼室１８へ流入する。
【００７７】
遮蔽板１００が設けられていない領域では、燃料ガス及び発電用空気は、燃焼室１８において、略鉛直方向に沿って上方へ移動する。一方、遮蔽板１００が設けられている領域の周辺では、燃料ガス及び発電用空気の流れ方向は、遮蔽板１００の中心部上方へ向かうように傾く。即ち、燃料電池セルユニット１６ａ〜１６ｄの間を通過してきた発電用空気の流れが遮蔽板１００によって遮蔽されるので、遮蔽板１００の上方の空間が他の空間と比較して圧力の低い負圧領域１００ａとなる。このため、遮蔽板１００の周縁部を横切る発電用空気は、遮蔽板１００の上方へ回り込んで集束してくる。
なお、本実施形態では、遮蔽板１００が燃料電池セルユニット１６ａ〜１６ｄの内部流路細管９８を挿入するための貫通孔以外に孔が設けられていない構成であるが、これに限らず、発電室１０から燃焼室１８への酸化剤ガスの流れを制限可能又は一部遮断可能であれば小径の通気孔を更に設けてもよい。
【００７８】
また、燃料電池セルユニット１６ａ〜１６ｄの内部流路細管９８から流出する燃料ガスは、集束してくる周囲の発電用空気によって遮蔽板１００の中央部上方へ向かって移動させられると共に、負圧領域１００ａに引き寄せられるように移動する。これにより、燃料ガスは、遮蔽板１００の上方に位置する点火装置８３の点火棒８３ｂに向けて吹き付けられる。
【００７９】
したがって、オフガス点火前において、点火棒８３ｂの周囲には、燃料電池セルユニット１６ａ〜１６ｄの内部流路細管９８から流出した燃料ガスが集中し、点火棒８３ｂの周辺（特に、遮蔽板１００と点火棒８３ｂの間の空間）に、他の燃料電池セルユニット１６の上方の領域よりも燃料ガスが濃い領域（燃料リッチな領域）が形成される。また、発電用空気も燃料ガスが濃い領域を取り囲み、点火棒８３ｂに向けて集中するように誘導される。このように、点火棒８３ｂ付近に燃料ガスが濃い領域が形成されると共に、十分な発電用空気が供給されることによって点火性が良好となる。
【００８０】
この状態で点火工程において、点火装置８３が作動して点火棒８３ｂが高温状態になることにより、点火棒８３ｂが熱源となって、点火棒８３ｂの周囲の燃料ガスと発電用空気の燃料リッチな混合気体の燃焼を容易に開始させることができる。
なお、より詳細には、本実施形態では、より確実に点火させるために、先ず、主に燃料電池セルユニット１６ａ及び１６ｂからのオフガスに点火し、そして、略同時に連鎖的に燃料電池セルユニット１６ｃ及び１６ｄからのオフガスにも点火させている。このため、点火棒８３ｂの最も温度が高くなり易い先端部分８３ｃが、上面視で隣接する燃料電池セルユニット１６ａ及び１６ｂの間に主に位置するように配置されている。
【００８１】
図１１（Ｂ）に示すように、点火後も発電用空気の気流により、各内部流路細管９８の端部から延びる燃焼炎Ｆが点火棒８３ｂに向けて方向付けられ、点火棒８３ｂに接触する。このように、点火棒８３ｂは、点火を容易とするために点火前は燃料ガスを集中させる部位（点火後は燃焼炎Ｆに晒される部位）に配置されている。
そして、複数の燃焼炎Ｆの先端部分が重なることにより、単独の内部流路細管９８からのオフガスによる燃焼炎よりも大きな燃焼炎Ｆが形成される。これにより、燃焼炎Ｆは安定的に維持され、この燃焼炎Ｆにより着火性が良好となる。
【００８２】
即ち、遮蔽板１００の上部での大きな燃焼炎Ｆが形成されると、この燃焼炎Ｆが実質的に大きく且つ安定した熱源となり、隣接する燃料電池セルユニット１６の内部流路細管９８から噴出されるオフガスを次々に点火、即ち火移りさせていく。このとき、各燃料電池セルユニット１６の周囲を通過する酸化剤ガスの流れがあっても、この酸化剤ガスの流れにより邪魔されることなく、安定した大きな熱源により、迅速にすべての燃料電池セルユニット１６からのオフガスに火移りさせることが可能となる。したがって、点火工程を短時間で終了させることが可能であり、燃料電池セルユニット１６からのオフガスが燃焼室１８内や発電室１０内等に大量に滞留することを防止することができる。
【００８３】
このように、本実施形態では、遮蔽板１００を燃料電池セル集合体１２の上部に配置すると共に、点火棒８３ｂの直下近傍のみに遮蔽板１００を配置している。これにより、遮蔽板１００により発電用空気の供給が一部遮断又は制限されるが、遮蔽板１００が必要最小限の部分に局所的に配置されているだけなので、むしろ周囲から遮蔽板１００の上方へ発電用空気を回り込ませ、点火棒８３ｂの周囲に集中させることができる。これにより、オフガスも点火棒８３ｂの周囲に集中させることができる。したがって、点火棒８３ｂを熱源として点火が容易となり、点火後には回り込んでくる発電用空気によって燃焼炎も遮蔽板１００の上方へ方向付けられ、点火棒８３ｂが燃焼炎に晒され、複数の燃料電池セルユニット１６ａ〜１６ｄからの燃焼炎を一体化させて肥大化することができる。このように、大きな熱源を形成することができるため、遮蔽板１００が取り付けられていない燃料電池セルユニット１６からのオフガスへの火移りが容易になり、すべての燃料電池セルユニット１６からのオフガスへの点火を迅速に行うことができる。
【００８４】
また、燃焼時は、遮蔽板１００が取り付けられていない領域では、燃料電池セルユニット１６の上方に十分な量の発電用空気を供給することができる。さらに、遮蔽板１００が取り付けられている領域においても、遮蔽板１００の遮蔽面積が限定的であるので、遮蔽板１００の上方に発電用空気を回り込ませて供給することができる。このため、遮蔽板１００の上方では、気流の乱れがあったとしても、十分な量の発電用空気を供給すること可能であり、燃焼の安定性を維持することができる。
【００８５】
さらに、本実施形態では、遮蔽板１００により複数の燃料電池セルユニット１６を保持することができる。これにより、異なる燃料電池装置間において、点火棒８３ｂの近傍における燃料電池セルユニット１６の位置を均一に揃えることができる。したがって、異なる燃料電池装置間で、点火工程に時間差が生じることを防止することができる。
さらに、本実施形態では、遮蔽板１００を一部の燃料電池セルユニット１６の上端にのみ配置しているため、すべての燃料電池セルユニット１６を覆うように配置した場合と比べて、部材コストを低減することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１    固体酸化物形燃料電池システム
２    燃料電池モジュール
６    ハウジング
７    断熱材
８    ケース
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
１６，１６ａ−１６ｄ  燃料電池セルユニット
１８    燃焼室
２０    改質器
８３    点火装置
８３ａ  本体部
８３ｂ  点火棒
８３ｃ  先端部分
８８    内部流路
９０    内側電極層
９２    外側電極層
９４    電解質層
９８    内部流路細管
１００  遮蔽板（酸化剤ガス遮蔽板）
【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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