(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料ガスと改質水による水蒸気とを改質反応させるための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行う燃料電池セルを備えたセルスタックと、前記セルスタックにおいて発電に寄与しない余剰燃料ガスを燃焼させるための燃焼域と、前記セルスタックに送給される酸化材を前記燃焼域を通して排出される燃焼排気ガスとの間で熱交換を行うための酸化材予熱器と、前記改質器、前記セルスタック及び前記酸化材予熱器を収容するための燃料電池ハウジングと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
改質水を気化させて水蒸気を生成するための第１及び第２気化器が設けられ、前記第１気化器は、前記燃料電池ハウジング内に収容され、前記燃焼域における余剰燃料ガスの燃焼により加熱されるように構成され、前記第２気化器は、前記燃料電池ハウジング外に配設され、前記燃焼域から前記酸化材予熱器を通して排出される燃焼排気ガスにより加熱されるように構成され、改質水は、前記第２気化器から改質水送給流路を通して前記第１気化器に送給されるように構成されており、
また、前記第２気化器は、改質水が流れる改質水流路及び燃焼排気ガスが流れる排気ガス流路を規定する気化器本体を備え、前記気化器本体の上端部に改質水流入部が設けられ、その下端部に改質水流出部が設けられ、前記改質水流出部が前記改質水送給流路に連通され、前記改質水流路は、前記改質水流入部から前記改質水流出部まで鉛直乃至下り勾配で延びており、
更に、前記第２気化器は、前記第１気化器よりも上方に配設され、前記改質水送給流路は、前記第２気化器から前記第１気化器まで鉛直乃至下り勾配で延びていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化材予熱器と前記第２気化器の前記排気ガス流路とは排気ガス送給流路を介して接続され、前記排気ガス送給流路及び／又は前記第２気化器の前記排気ガス流路に燃焼触媒が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２気化器、前記改質水送給流路及び前記燃焼触媒の少なくとも一つに関連して、これらの少なくとも一つを加熱するための予熱加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２気化器、前記改質水送給流路及び前記排気ガス送給流路の少なくとも１箇所に温度検知手段が配設され、前記温度検知手段の検知温度に基づいて、炭化水素系燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも一つの供給流量及び／又は前記セルスタックの発電出力が制御されることを特徴とする請求項２又は３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２気化器、前記改質水供給流路及び前記排気ガス送給流路の少なくとも１箇所に温度検知手段が配設され、高い燃料利用率での定常運転状態において前記温度検知手段の検知温度が急激に低下すると、システムにおける燃料利用率が小さくなるように制御することを特徴とする請求項２又は３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２気化器、前記改質水送給流路及び前記排気ガス送給流路の少なくとも１箇所に温度検知手段が設けられ、前記温度検知手段の検知温度に基づいて、前記予熱加熱手段の加熱量が制御されることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
炭化水素系燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路は、前記第１又は第２気化器に接続され、炭化水素系燃料ガスは、前記第１又は第２気化器にて発生した水蒸気と混合されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか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】
本発明は、炭化水素系燃料ガスを改質して生成された燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、酸素イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた燃料電池セルを備え、その片側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他側に酸化材（例えば、空気中の酸素）を還元するための酸化極が設けられた固体酸化物形燃料電池システムが知られている。この固体酸化物形燃料電池システムでは、一般的に、固体電解質としてイットリアをドープしたジルコニアが用いられ、７００〜１０００℃の高温で、燃料ガスを改質した改質燃料ガス中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化材としての酸素とを電気化学反応させて発電が行われる。このような固体酸化物形燃料電池システムは、他の燃料電池システムやガスエンジンなどに比べて、特に高発電効率での発電が可能なことから、有望な発電技術として開発が行われている。
【０００３】
このような固体酸化物形燃料電池システムおいては、複数の燃料電池セルを積層したセルスタックが用いられ、このセルスタックの作動温度が高いために、セルスタックの発電に寄与しない改質燃料ガス（所謂、余剰燃料ガス）を燃焼させて得られる燃焼熱を、改質水を気化して水蒸気を得るための気化器や、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器に直接与えるように構成することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの上方に燃焼域が配設され、セルスタックの燃焼極側から発電に寄与しない改質燃料ガス（余剰燃料ガス）が燃焼域に排出され、その酸素極側から排出される酸化材により燃焼域にて燃焼される。気化器及び改質器は、セルスタックとともに燃料電池ハウジング内に収容され、この燃料電池ハウジング内の燃焼域付近、例えばセルスタックの上方に配設される。気化器での水蒸気発生、また改質器での水蒸気改質は吸熱反応であることから、この燃焼域にて生成される燃焼熱が、これらの水蒸気発生、水蒸気改質に利用され、このように燃焼熱を利用することにより、高温の作動温度を保ちながらセルスタックでの発電反応を維持することができる。
【０００５】
このような燃料電池システムでは、燃料利用率を考慮して、燃料ガスの供給制御などが行われる。燃料利用率とは、燃料ガスの流量に比例するところの燃料ガスの価電子の供給速度に対してどれだけの発電電流を取り出すかの割合であり、この燃料利用率が高くなるほど発電に寄与しない余剰燃料ガスが少なくなって発電効率が高くなり、また燃料利用率が低くなるほど発電に寄与しない余剰燃料ガスが多くなって発電効率が低下する。ところが、燃料利用率が高くなり過ぎると、燃焼域での余剰燃料ガスの燃焼による燃焼熱が少なくなり、燃料電池ハウジング内を高温に維持するための熱量が不足して逆に温度低下を招き、セルスタックの発電性能が低下するために、この燃料利用率はある値よりも大きくすることが難しい。
【０００６】
そこで、この燃料利用率を高くしても高い作動温度を保ち、高い発電効率を維持することができる固体酸化物形燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この固体酸化物形燃料電池システムでは、改質水を気化させるための第１及び第２気化器が設けられ、改質水は第１及び第２気化器に選択的に供給される。そして、第１又は第２気化器にて気化された水蒸気が、水蒸気改質を行う改質器に送給される。第１気化器は、燃料電池ハウジング内に配設され、燃焼域での余剰燃料ガスの燃焼により生成される燃焼熱により加熱され、また第２気化器は、燃料電池ハウジング外に配設され、燃焼域から燃料電池ハウジング外に排出された燃焼排気ガスにより加熱される。
【０００７】
この固体酸化物形燃料電池システムにおいては、起動時などでは改質水は第１気化器に供給され、燃焼域での燃焼熱を利用して第１気化器にて改質水の気化が行われるが、通常の稼働状態では改質水は第２気化器に供給され、燃焼域から燃料電池ハウジング外に排出された燃焼排気ガスの熱を利用して第２気化器にて改質水の気化が行われる。この通常稼働状態では、燃料電池ハウジング内の燃焼域での燃焼熱を利用しないことから、第２気化器での気化熱の熱量分だけ余剰燃料ガスの消費を減らすことができ、その結果、高い燃料利用率を保ちながら燃料電池ハウジング内を高い温度状態に維持して発電運転を継続して行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１９０８４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５１３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、このような固体酸化物形燃料電池システムでは、次のような解決すべき課題がある。第１に、燃料電池ハウジング外に設けられる第２気化器では、燃料電池ハウジング内に設けられる第１気化器に比して、改質水に熱を与える高温流体（即ち、燃焼排気ガス）の温度が低く、このように温度が低いと、改質水との熱交換に必要な伝熱面積を大きくする必要がある。このように伝熱面積を大きくすると、第２気化器内で滞留する改質水の量が第１気化器に比して多くなり、このような改質水の滞留は、突沸現象（滞留した改質水が気化して一気に流れる現象）の原因となり、この突沸現象が生じると、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン比）が急峻に変動し、セルスタックが破損に至る原因の一つとなる。
【００１０】
第２に、セルスタックの発電出力の変化に伴い、燃料電池ハウジング内の燃焼域に排出される余剰燃料ガスの量（即ち、燃焼排気ガスの保有熱量）も変動し、この変動に伴い、気化器内の改質水の滞留量も経時的変動を繰り返すようになる。このような滞留水の変動は、改質水を第１気化器に供給するときの稼働状態よりも改質水を第２気化器に供給するときの稼働状態の方がより大きくなり、この変動は、稼働運転の目標となるＳ／Ｃ（スチーム／カーボン比）の目標値に対する揺らぎとなって現れる。この滞留水の時間的変動が緩やかなときは問題は生じないが、この時間的変動が急峻になると、セルスタックが破損に至る原因の一つとなる。例えば、Ｓ／Ｃが小さい側に振れたときには、水蒸気が少なくなって炭素が析出するおそれが生じ、またＳ／Ｃが大きい側に振れたときには、燃料ガスが少なくなって燃料不足となるおそれがある。このような滞留水の経時的変動は、改質水の滞留が生じ易い第２気化器の方が第１気化器に比してより大きくなり易く、セルスタックが破損に至るリスクもより大きくなる。
【００１１】
第３に、第１及び第２気化器に選択的に改質水を供給する構成であるために、改質水を供給するための改質水供給系が２系統必要となり、また改質水供給系統を切り換えるための切換弁も必要となり、その構造及び切換制御が複雑になるとともに、その製造コストも高くなる。また、改質水供給系統を切換制御することに関連して、その切換前後においてＳ／Ｃの不連続的変化が発生し易くなる。
【００１２】
本発明の目的は、高い燃料利用率を維持しながら高い発電効率で運転することができ、加えて改質水の滞留を抑えて安定して発電運転することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、炭化水素系燃料ガスと改質水による水蒸気とを改質反応させるための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行う燃料電池セルを備えたセルスタックと、前記セルスタックにおいて発電に寄与しない余剰燃料ガスを燃焼させるための燃焼域と、前記セルスタックに送給される酸化材を前記燃焼域を通して排出される燃焼排気ガスとの間で熱交換を行うための酸化材予熱器と、前記改質器、前記セルスタック及び前記酸化材予熱器を収容するための燃料電池ハウジングと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
改質水を気化させて水蒸気を生成するための第１及び第２気化器が設けられ、前記第１気化器は、前記燃料電池ハウジング内に収容され、前記燃焼域における余剰燃料ガスの燃焼により加熱されるように構成され、前記第２気化器は、前記燃料電池ハウジング外に配設され、前記燃焼域から前記酸化材予熱器を通して排出される燃焼排気ガスにより加熱されるように構成され、改質水は、前記第２気化器から改質水送給流路を通して前記第１気化器に送給されるように構成されており、
また、前記第２気化器は、改質水が流れる改質水流路及び燃焼排気ガスが流れる排気ガス流路を規定する気化器本体を備え、前記気化器本体の上端部に改質水流入部が設けられ、その下端部に改質水流出部が設けられ、前記改質水流出部が前記改質水送給流路に連通され、前記改質水流路は、前記改質水流入部から前記改質水流出部まで鉛直乃至下り勾配で延びており、
更に、前記第２気化器は、前記第１気化器よりも上方に配設され、前記改質水送給流路は、前記第２気化器から前記第１気化器まで鉛直乃至下り勾配で延びていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記酸化材予熱器と前記第２気化器の前記排気ガス流路とは排気ガス送給流路を介して接続され、前記排気ガス送給流路及び／又は前記第２気化器の前記排気ガス流路に燃焼触媒が配設されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第２気化器、前記改質水送給流路及び前記燃焼触媒の少なくとも一つに関連して、これらの少なくとも一つを加熱するための予熱加熱手段が設けられていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第２気化器、前記改質水送給流路及び前記排気ガス送給流路の少なくとも１箇所に温度検知手段が配設され、前記温度検知手段の検知温度に基づいて、炭化水素系燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも一つの供給流量及び／又は前記セルスタックの発電出力が制御されることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第２気化器、前記改質水供給流路及び前記排気ガス送給流路の少なくとも１箇所に温度検知手段が配設され、高い燃料利用率での定常運転状態において前記温度検知手段の検知温度が急激に低下すると、システムにおける燃料利用率が小さくなるように制御することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記第２気化器、前記改質水送給流路及び前記排気ガス送給流路の少なくとも１箇所に温度検知手段が設けられ、前記温度検知手段の検知温度に基づいて、前記予熱加熱手段の加熱量が制御されることを特徴とする。
【００２０】
更に、本発明の請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、炭化水素系燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路は、前記第１又は第２気化器に接続され、炭化水素系燃料ガスは、前記第１又は第２気化器にて発生した水蒸気と混合されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第１気化器は、燃料電池ハウジング内に収容され、燃焼域における余剰燃料ガスの燃焼により加熱され、また第２気化器は、燃料電池ハウジング外に配設され、燃焼域から酸化材予熱器を通して排出される燃焼排気ガスにより加熱され、改質水は、第２気化器から改質水送給流路を通して第１気化器に送給されるので、改質器に送給される改質水は、まず、燃料電池ハウジング外に排出された燃焼排気ガスの熱で加熱される第２気化器にて気化され、その後燃料電池ハウジング内の燃焼域での余剰燃料ガスの燃焼により加熱される第１気化器にて気化される。従って、燃料電池ハウジング外に排出された燃焼排気ガスの熱をも改質水の気化に利用しており、それ故に、この第２気化器での気化熱分だけ余剰燃料ガスの消費を少なくすることができ、その結果、高い燃料利用率を維持しながら高い発電効率でシステムを運転することができる。
【００２２】
また、第２気化器は、第１気化器よりも上方に配設され、改質水送給流路は、第２気化器から第１気化器に向けて鉛直乃至下り勾配で延びているので、第２気化器から改質水送給流路に改質水が流れると、この改質水は、改質水送給流路を通して第１気化器に流下し、この第１気化器にて燃焼域での余剰燃料ガスの燃料による熱でもって気化されて改質器に送給される。従って、改質水送給流路での改質水の滞留を少なくすることができ、これによって、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン比）の変動を抑え、水蒸気を安定して改質器に送給することができる。
【００２３】
更に、第２気化器は、第１気化器よりも上方に配設され、改質水は、第２気化器から改質水送給流路を通して第１気化器に送給されるので、改質水供給系は一系統で切換弁なども必要とせず、改質水供給系に関する構成を簡単にすることができるとともに、その製作コストの低減を図ることができる。
更にまた、第２気化器の改質水流路は、気化器本体の上端部の改質水流入部からその下端部の改質水流出部まで鉛直乃至下り勾配で延びているので、改質水流入部から流入した改質水は改質水流路を通して流下し、この第２気化器における改質水の滞留も少なくすることができ、これによって、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン比）の変動を更に抑えることができる。
【００２５】
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、酸化材予熱器と第２気化器の排気ガス流路とは排気ガス送給流路を介して接続され、この排気ガス送給流路及び／又は第２気化器の排気ガス流路に燃焼触媒が配設されているので、燃焼排気ガス中に含まれている未燃焼ガスを燃焼触媒により燃焼させ、この未燃焼ガスの燃焼熱を第２気化器での改質水の気化に利用することができる。
【００２６】
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第２気化器、改質水送給流路及び燃焼触媒の少なくとも一つに関連して予熱加熱手段が設けられているので、第２気化器にあっては、第２気化器を流れる改質水を加熱することができ、改質水送給流路にあっては、改質水送給流路を流下する改質水を加熱することができ、また燃焼触媒にあっては、燃焼触媒を加熱してその活性化を図って未燃焼ガスの燃焼を促進することができる。
【００２７】
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池によれば、第２気化器、改質水送給流路及び排気ガス送給流路の少なくとも１箇所に温度検知手段が配設され、この温度検知手段の検知温度に基づいて、炭化水素系燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも一つの供給流量（及び／又はセルスタックの発電出力）が制御されるので、第２気化器にあっては第２気化器を流れる改質水に関連する温度、改質水送給流路にあっては改質水送給流路を流下する改質水に関連する温度、また排気ガス送給流路にあっては排気ガス送給流路を流れる燃焼排気ガスに関連する温度に基づいて、炭化水素系燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも１つ（及び／又はセルスタックの発電出力）を所要の通りに制御して燃料電池システムを安定して発電運転することができる。
【００２８】
また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、高い燃料利用率での定常運転状態において、第２気化器（改質水供給流路、排気ガス送給流路など）に配設された温度検知手段の検知温度が急激に低下して第２気化器の気化能力の低下傾向が推定される状況になったときには、システムにおける燃料利用率を小さくするように制御し、余剰燃料ガスを多くしてその燃焼熱量を増加させ、これによって、第２気化器の気化能力を回復させることができ、その結果、第２気化器の気化能力を維持して安定して発電運転することができる。
【００２９】
また、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、第２気化器、改質水送給流路及び排気ガス送給流路の少なくとも１箇所に温度検知手段が設けられ、この温度検知手段の検知温度に基づいて、予熱加熱手段の加熱量が制御されるので、第２気化器にあっては第２気化器を流れる改質水に関連する温度、改質水送給流路にあっては改質水送給流路を流下する改質水に関連する温度、また排気ガス送給流路にあっては排気ガス送給流路を流れる燃焼排気ガスに関連する温度に基づいて、予熱加熱手段の加熱量を制御して所望の通りに加熱することができる。
【００３０】
更に、本発明の請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、炭化水素系燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路は、第１又は第２気化器に接続される。第１気化器に接続した場合、燃料ガス供給流路からの燃料ガスは第１気化器に供給され、この第１気化器にて水蒸気（第２気化器にて発生されて第１気化器に送給された水蒸気及び第１気化器にて発生した水蒸気）と混合される。また、第２気化器に接続した場合、燃料ガス供給流路からの燃料ガスは第２気化器に供給され、この第２気化器にて水蒸気（第２気化器にて発生した水蒸気）と混合され、かく混合された燃料ガス及び水蒸気が改質水送給流路を通して第１気化器に送給され、この第１気化器にて発生した水蒸気と更に混合される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態を示す簡略図。
【図２】図１の固体酸化物形燃料電池システムの第２気化器を簡略的に示す断面図。
【図３】図３（ａ）は、第２気化器の第１変形形態を示す断面図、図３（ｂ）は、第２気化器の第２変形形態を示す断面図、図３（ｃ）は、第２気化器の第３変形形態を示す断面図。
【図４】本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態の一部を示す簡略図。
【図５】第２気化器の更に他の変形形態を示す断面図。
【図６】本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第３の実施形態の一部を示す簡略図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの各種実施形態について説明する。
【００３３】
〈第１の実施形態〉
まず、図１及び図２を参照して、第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２は、燃料ガスとして例えばメタンを主成分とする炭化水素系燃料ガス、例えば天然ガス（都市ガス）を消費して発電を行うものであり、炭化水素系燃料ガスを改質して改質燃料ガスを生成するための改質器４と、改質器４にて生成された改質燃料ガス及び酸化材としての空気（空気中に含まれる酸素）の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形のセルスタック６と、を備えている。尚、以下の説明において、燃料ガスとしての炭化水素系燃料ガスを「原燃料ガス」という場合がある。
【００３４】
セルスタック６は、燃料電池反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを有し、これら燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成される。燃料電池セルは、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた酸素極とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
【００３５】
この固体酸化物形燃料電池システム２では、水（以下の説明において、「改質用水」という場合がある）を気化して改質器４に供給するための気化器として２つの気化器、即ち第１気化器１０及び第２気化器１２を備え、第１気化器１０の上流側に第２気化器１２が配設されている。セルスタック６の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給流路１４を介して改質器４に接続され、この改質器４は、ガス・水蒸気送給流路１６を介して第１気化器１０に接続され、この第１気化器１０は、改質水送給流路１８を介して第２気化器１２に接続されている。
【００３６】
この第２気化器１２は、改質水を供給するための改質水供給手段２０に接続されている。図示の形態では、改質水供給手段２０は、水タンクの如き水供給源２２及び水供給源２２の改質水を第２気化器１２に供給する改質水供給流路２４を備え、この改質水供給流路２４に水供給ポンプ２６が配設されている。このように構成されているので、水供給ポンプ２６が作動すると、水供給源２２からの改質水が改質水供給流路２４を通して第２気化器１２に供給される。
【００３７】
また、第１気化器１０は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段２８に接続されている。図示の燃料ガス供給手段２８は、原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源３０及びこの原燃料ガスを第１気化器１０に供給する燃料ガス供給流路３２を備え、この燃料ガス供給流路３２に、脱硫器３４、ガス供給ポンプ３６及び流量センサ３８が配設されている。脱硫器３４は原燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去し、ガス供給ポンプ３６は燃料ガス供給源３０からの原燃料ガスを燃料ガス供給流路３２を通して第１気化器１０に送給し、また流量センサ３８は燃料ガス供給流路３２を通して供給される原燃料ガスの流量を計測する。この燃料ガス供給流路３２には、更に、開閉弁４０及び４２が配設されている。２連の開閉弁４０及び４２は燃料ガス供給流路３２を開閉して燃料ガスの供給、供給停止を行う。このように構成されているので、開閉弁４０，４２が開状態においてガス供給ポンプ３６が作動すると、燃料ガス供給源３０からの燃料ガスが燃料ガス供給流路３２を通して第１気化器１０に供給される。
【００３８】
改質器４は、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒により燃料ガスを後述するように水蒸気改質する。この実施形態では、第２気化器１２は、改質水供給流路２４を通して供給される水を気化させて水蒸気を発生し、また第１気化器１０は、第２気化器１２から改質水送給流路１８を通して送給される改質水を気化させて水蒸気を発生するとともに、かかる水蒸気（第２気化器１２にて発生して改質水送給流路１８を通して送給された水蒸気及びこの第１気化器１０にて発生した水蒸気）と燃料ス供給流路３２を通して供給された燃料ガスとを混合する。
【００３９】
この実施形態では、改質器４と第１気化器１０とを別体に構成しているが、これら改質器４及び第１気化器１０を一体的に構成するようにしてもよい。また、燃料ガス供給流路３２を第１気化器１０に接続しているが、このような構成に代えて、この燃料ガス供給流路３２を第２気化器１２に接続するようにしてもよく、或いは改質器４に接続して燃料ガス供給源３０からの原燃料ガスを改質器４に直接的に送給するようにしてもよい。
【００４０】
セルスタック６の酸素極の導入側には、酸化材としての空気を供給するための酸化材供給手段４４が接続されている。図示の酸化材供給手段４４は、酸化材としての空気（即ち、空気中の酸素）を供給するための酸化材供給源４６（実施形態の場合、周囲の外気が酸化材供給源となる）と、酸化材供給源４６からの酸化材をセルスタック６の酸素極側に供給する酸化材供給流路４８とを備え、この酸化材供給流路４８に送風プロア５０及び酸化材予熱器５２が配設されている。酸化材予熱器５２は、例えば酸化材予熱用熱交換器から構成され、後述するように燃焼排気ガスを利用して酸化材供給流路４８（即ち、酸化材予熱器５２の空気流路５３）を流れる空気を加熱する。このように構成されているので、送風ブロア５０が作動すると、周囲の空気が酸化材供給流路４８を通してセルスタック６の燃料極側に供給され、かく供給される空気が酸化材予熱器５２にて加熱される。
【００４１】
セルスタック６の燃料極及び酸素極の各排出側には燃焼域５４が設けられ、セルスタック６の燃料極側から排出された余剰の燃料ガスとその酸素極側から排出された空気（酸素を含含む）とがこの燃焼域５４に送給されて燃焼される。この燃焼室５４は排気ガス送給流路５６が連通され、この排気ガス送給流路５６に酸化材予熱器５２（その燃焼排気ガス流路５５）が配設され、排気ガス送給流路５６が第２気化器１２に接続されている。このように構成されているので、燃焼域５４からの燃焼排気ガスは、排気ガス送給流路５６及び酸化材予熱器５２を通して第２気化器１２に送給され、かく送給される間に、酸化材予熱器５２において、燃焼排気ガス流路５５を流れる燃焼排気ガスと空気流路５３を流れる空気（酸化材）との間で熱交換が行われ、この熱交換により加熱された空気がセルスタック６に送給され、熱交換により温度が下がった燃焼排気ガスが第２気化器１２及び排気ガス排出流路５８を通して大気中に排出される。
【００４２】
この実施形態では、改質器４、セルスタック６、第１気化器１０及び空気予熱器５２が燃料電池ハウジング６０に収容され、改質器４及び第１気化器１０は燃焼域５４の近傍、例えばその上方に配設されている。燃料電池ハウジング６０の内壁面は断熱材（図示せず）で覆われて高温室６２を規定し、改質器４、セルスタック６、第１気化器１０及び空気予熱器５２が高温室６２内で高温状態に保たれる。また、第２気化器１２は、この燃料電池ハウジング６０外に配設されている。このように構成することによって、改質器４及び第１気化器１０は、燃焼域５４における余剰燃料ガスの燃焼により加熱され、この燃焼熱を利用して第１気化器１０における改質水の気化が行われ、また第２気化器１２における水の気化は、排気ガス送給流路５６を通して排出される燃焼排気ガスの排熱が利用され、燃料電池ハウジング６０内の熱が利用されることがない。
【００４３】
この実施形態では、固体酸化物形燃料電池システム２の各種装置（例えば、水供給ポンプ２６、ガス供給ポンプ３６、送風ブロア５０など）の作動を制御するためのコントローラ６４が設けられ、流量センサ３８からの検知信号がこのコントローラ６４に送給される。尚、コントローラ６４は、上述の各種装置を作動制御するとともに、２連の開閉弁４０及び４２なども作動制御する。
【００４４】
この固体酸化物形燃料電池システム２の発電運転を概説すると、次の通りである。固体酸化物形燃料電池システム２を起動操作すると、送風ブロア５０が作動して酸化材供給手段４４からの空気が酸化材予熱器５２を通してセルスタック６の酸素極側に供給され、送風ブロア５０の回転数を制御することによって、空気の供給量が制御される。また、開閉弁４０，４２が開状態となり、ガス供給ポンプ３６が作動して燃料ガス供給手段２８からの燃料ガス（原燃料ガス）が脱硫器３４、第１気化器１０及び改質器４を通してセルスタック６の燃料極側に供給され、ガス供給ポンプ３６の回転数を制御することによって、燃料ガスの供給量が制御される。更に、燃焼域５４に配設された点火装置（図示せず）が点火作動し、このようにして燃焼域５４にて燃料ガスの燃焼が行われる。
【００４５】
この燃焼域５４での燃料ガスの燃焼熱によって第１気化器１０の温度が上昇する（例えば２００℃程度まで上昇する）と、水供給ポンプ２６が作動して改質水供給手段２０からの改質水が第２気化器１２を通して第１気化器１０に供給され、水供給ポンプ２６の回転数を制御することによって、改質水の供給量が制御される。このとき、燃焼域５４からの燃焼排気ガスが排気ガス送給流路５６及び第２気化器１２を通して外部に排出されるので、第２気化器１２に供給された改質水は、この燃焼排気ガスの熱を利用してその一部が気化されて水蒸気となり、水蒸気を含む改質水が改質水送給流路１８を通して第１気化器１０に送給される。また、燃焼域５４の余剰燃料ガスによって第１気化器１０が加熱されるので、このように送給された改質水は、この燃焼熱を利用して第１気化器１０において気化されて水蒸気となり、この第１気化器１０にて水蒸気と燃料ガスと混合され、混合燃料ガス（燃料ガスと水蒸気とが混合した燃料ガス）がガス・水蒸気送給流路１６を通して改質器４に送給される。改質水供給手段２０からの改質水は、このように第２気化器１２及び第１気化器１０を通して流れる間に水蒸気となる。
【００４６】
改質器４においては、原燃料ガスと水蒸気とで水蒸気改質反応が行なわれ、改質された燃料ガス（改質燃料ガス）が改質燃料ガス送給流路１４を通してセルスタック６の燃料極側に送給される。また、酸化材送給手段４４からの空気は、酸化材供給流路４８を通して酸化材予熱器５２に供給され、この酸化材予熱器５２において燃焼域５４より排出されて排気ガス送給流路５６を通して流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換され、熱交換により加温された空気がセルスタック６の酸素極側に送給される。
【００４７】
このようにしてセルスタック６の温度が作動温度に達する（例えば、セルスタック６が６５０℃程度に達する）と、固体酸化物形燃料電池システム２の発電運転が行われる。この発電運転においては、セルスタック６の燃料極側では改質燃料ガスの酸化が行われ、その酸素極側では空気中の酸素の還元が行われ、燃料極側の酸化及び酸素極側の還元による電気化学反応により発電が行われる。セルスタック６の燃料極側から排出される燃料ガスは、その酸素極側から排出される空気（燃焼空気）中の酸素を利用して燃焼され、この余剰燃料ガスの燃焼熱を利用して改質器４及び第１気化器１０が上述したように加熱される。
【００４８】
燃焼域５４での燃焼により生じた燃焼排気ガスは、排気ガス送給流路５６を通して酸化材予熱器５２に送給され、この酸化材予熱器５２において酸化材供給手段４４から供給される空気との熱交換に利用され、更に第２気化器１２において改質水供給手段２０から供給される改質水を加熱した後に、排気ガス排出流路５８を通して大気に排出される。
【００４９】
この実施形態では、第１気化器１０が燃料電池ハウジング６０内に配設され、第２気化器１２が燃料電池ハウジング６０外に配設されていることに関連して、更に、次の通りに構成されている。第２気化器１２については、図２に示す通りに構成されている。図２において、この第２気化器１２は、改質水が流れる改質水流路７０及び燃焼排気ガスが流れる排気ガス流路７２を規定する気化器本体７４を備えている。改質水流路７０は、気化器本体７２内の上端部に設けられた上水空間部７６と、その下端部に設けられた下水空間部７８と、上水空間部７６と下水空間部７８とを連通する複数の中間水空間部８０とを有している。改質水流路７０の上水空間部７６は、上仕切り板８２により仕切られ、その下水空間部７８は、下仕切り板８４により仕切られ、中間水空間部８０は、上水空間部７６及び下水空間部７８間を連通する管状部材８６から構成され、複数の管状部材８６が鉛直下方に延びている。また、気化器本体７４の上端部（この形態では、上端壁８８）に改質水流入部９０が設けられ、その下端部（この形態では、下端壁９２に改質水流出部９４が設けられている。
【００５０】
また、排気ガス流路７２は、改質水流路７０の上水空間部７６と下水空間部７８との間（換言すると、上仕切り板８２と下仕切り板８４との間）に配置され、上下方向に間隔において千鳥足状に配設された中間仕切り板９６により仕切られている。この気化器本体７４の周側壁９８の下端部（下水空間部７８の上側部位）には、排気ガス流入部１００が設けられ、その上端部（上水空間部７６の下側部位）には、排気ガス流出部１０２が設けられている。
【００５１】
このように構成されているので、改質水供給流路２４を通して供給される改質水は、改質水流入部９０から気化器本体７４の改質水流路７０に流入し、上水空間部７６から図２に破線矢印で示すように複数の中間水空間部８０を通して下方に下水空間部７８に流れた後に、改質水流出部９４から改質水送給流路１８を通して第１気化器１０に送給される。一方、排気ガス送給流路５６を通して流れる燃焼排気ガスは、排気ガス流入部１００から気化器本体７４の排気ガス流路７２に流入し、この排気ガス流路７２内を図２に実線矢印で示すように千鳥足状に上方に流れた後に、排気ガス流出部１０２から排気ガス排出流路５８を通して大気に排出される。そして、改質水流路７０を流れる改質水と排気ガス流路７２を流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換が行われ、燃焼排気ガスの熱（所謂、廃棄される熱）によって改質水が加熱されて水蒸気が生成される。例えば、燃焼排気ガスの熱量が小さいときには改質水の一部が気化されて水蒸気が生成され、その熱量が大きいときには改質水の大部分乃至全部が気化されて水蒸気が生成される。
【００５２】
この第２の気化器１２に関連して、次のように構成するのが望ましい。第２の気化器１２（具体的には、その改質水流出部９４）と第１気化器１０（具体的には、その流入部）とを連通する改質水送給流路１８が、その全長にわたって鉛直乃至下り勾配で下方に延びているのが望ましく、このように構成することによって、第２気化器１２を通して流れた改質水は下方に第１気化器１０に向けて流れ、改質水送給流路１８にて滞留することなく第１気化器１０に送給される。従って、第２気化器１２からの改質水は、第１気化器１０に少しずつ送給され、第１気化器１０にて改質水が少しずつ気化されて水蒸気となり、これにより、一時的に大量の水蒸気が発生して下流側に送給されるのを防止し、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン比）が大きく変動するのを抑えることができる。
【００５３】
また、第２気化器１２においては、その改質水流路７０が全長にわたって、即ち改質水流入部９０から改質水流出部９２にわたって、鉛直（図２参照）乃至下り勾配で下方に延びているのが望ましく、このように構成することによって、第２気化器１２に供給された改質水は、改質水流路７０内を下方に改質水流出部９４に向けて流れ、改質水流路９４にて滞留することなく改質水送給流路１８に流れる。従って、第２気化器１２内においては、改質水は少しずつ下方に流れて気化され、これによって、一時的に大量の改質水が改質水送給流路１８に送給されるのを防止し、Ｓ／Ｃが大きく変動するのを抑えることができる。
【００５４】
この固体酸化物形燃料電池システムでは、上述した構成に関連して、更に、次のような特徴を有する。セルスタック６の定常発電状態においては、燃焼域５４から排気ガス送給流路５６を通して流れる燃焼排気ガスの温度が高く、このような場合、上述したように、第２気化器１２における熱交換によって、改質水供給流路２４を通して供給される改質水は、この第２気化器１２の改質水流路７０を通して流れる間にその大部分乃至全部が気化されて水蒸気となり、このように生成された水蒸気（少しの改質水を含む場合がある）が第１気化器１０に送給される。このような場合、第１気化器１０にて改質水の気化がほとんど行われず、このようなときには、燃焼域５４での余剰燃料ガスの燃焼による燃焼熱の発生を少なく抑えても問題はなく、燃料ガスの消費を考慮すると、燃料利用率を高めるように制御することが可能となり、例えばシステムの燃料利用率を例えば７０％程度から例えば７５〜８０％程度に５〜１０ポイント程度高めることが可能とり、コントローラ６４によりこのように燃料利用率を高める制御を行うことによって、セルスタック６の作動温度を高温状態に保ったまま発電効率を高めることができる。
【００５５】
第２気化器としては、例えば、図３に示す構成のものを用いるようにしてもよい。図３（ａ）に示す第１の変形形態の第２気化器１２Ａでは、気化器本体７４Ａは、外径の大きい円筒状の外筒状部材１１２と、この外筒状部材１１２の径方向内側に配設された外径の小さい円筒状の内筒状部材１１４（例えば、管状部材）と有し、内筒状部材１１４の内側に改質水流路７０Ａが規定され、内筒状部材１１４と外筒状部材１１２との間に環状の排気ガス流路７２Ａが規定されている。
【００５６】
内筒状部材１１４の一端部（上端部）は、改質水供給流路２４（図１参照）に接続され、改質水が流入する改質水流入部０Ａとして機能し、またその他端部（下端部）は、改質水送給流路１８（図１参照）に接続され、改質水が流出する改質水流出部９４Ａとして機能する。また、外筒状部材１１２の下端部には排気ガス流入部１００Ａが設けられ、この排気ガス流入部１００Ａが排気ガス送給流路５６（図１参照）に接続され、その上端部には排気ガス流出部１０２Ａが設けられ、この排気ガス流出部０２Ａが排気ガス排出流路５８（図１参照）に接続される。
【００５７】
この第２気化器１２Ａにおいても、改質水流路７０Ａは、改質水流入部９０Ａから改質水流出部９４Ａまで下方に鉛直に延び、改質水流入部９０Ａから流入した改質水は、図３（ａ）に破線矢印で示すように改質水流路７０Ａ内を下方に流れた後に、改質水流出部９４Ａから改質水送給流路１８（図１参照）に送給される。また、排気ガス流路７２Ａは、改質水流路７０Ａの外周囲を上方に延び、排気ガス流入部１００Ａから流入した燃焼排気ガスは、図３（ａ）に実線矢印で示すように排気ガス流路７２Ａ内を上方流れた後に、排気ガス流出部１０２Ａから排気ガス排出流路５８（図１参照）に送給される。
【００５８】
このような第２気化器１２Ａを用いた場合においても、改質水流路７０Ａを流れる改質水と排気ガス流路７２Ａを流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換が行われるので、図２に示す第２気化器１２と同様に、燃焼排気ガスの熱を利用して改質水を気化して水蒸気を生成することができ、また改質水流路７０Ａでの改質水の滞留を防止することができる。
【００５９】
また、図３（ｂ）に示す第２の変形形態の第２気化器１２Ｂでは、気化器本体７４Ｂは、外径の大きい円筒状の外筒状部材１１２Ｂと、この外筒状部材１１２Ｂの径方向内側に配設された外径の小さい円筒状の内筒状部材１１４Ｂと有し、第１変形形態と同様に、内筒状部材１１４Ｂの内側に改質水流路７０Ｂが規定され、内筒状部材１１４Ｂと外筒状部材１１２Ｂとの間に環状の排気ガス流路７２Ｂが規定され、改質水流路７０Ｂ内に多数の伝熱促進部材１２２が配設されている。この伝熱促進部材１２２は、例えばセラミック材料、金属材料（例えば、ステンレス鋼）製のボール状部材から形成することができ、排気ガス流路７２Ｂを流れる燃焼排気ガスにより加熱され、改質水流路７０Ｂ内を流れる改質水への熱伝達を促進する。
【００６０】
内筒状部材１１４Ｂの一端部（上端壁）には、外筒状部材１１２Ｂの上端壁１２４を貫通して上方に延びる改質水流入部９０Ｂが設けられ、またその他端部（下端壁）には、外筒状部材１１２Ｂの下端壁１２６を貫通して下方に延びる改質水流出部９４Ｂが設けられている。また、第１変形形態と同様に、外筒状部材１１２Ｂの下端部には排気ガス流入部１００Ｂが設けられ、その上端部には排気ガス流出部１０２Ｂが設けられている。
【００６１】
この第２気化器１２Ｂにおいても、改質水流路７０Ｂは、改質水流入部９０Ｂから改質水流出部９４Ｂまで下方に鉛直に延びているので、改質水流入部９０Ｂから流入した改質水は、図３（ｂ）に破線矢印で示すように改質水流路７０Ｂ内を下方に流れ、また排気ガス流路７２Ｂは、改質水流路７０Ｂの外周囲を上方に延びているので、排気ガス流入部１００Ｂから流入した燃焼排気ガスは、図３（ｂ）に実線矢印で示すように排気ガス流路７２Ｂ内を上方流れ、この第２の変形形態においても、上述した第１の変形形態と同様の作用効果を達成することができる。加えて、改質水流路７０Ｂ内に多数の伝熱促進部材１２２が充填されているので、燃焼排気ガスにより加熱された伝熱促進部材１２２の熱を利用して、改質水の気化を促進させて水蒸気を発生させることができる。
【００６２】
また、図３（ｃ）に示す第３の変形形態の第２気化器１２Ｃでは、気化器本体７４Ｃは、外径の大きい円筒状の外筒状部材１１２Ｃと、この外筒状部材１１２Ｃの径方向内側に配設された管状部材１１４Ｃと有し、この管状部材１１４Ｃが外筒状部材１１２Ｃ内において螺旋状に下り勾配で配設され、この管状部材１１４Ｃの内側に螺旋状の改質水流路７０Ｃが規定され、管状部材１１４Ｃと外筒状部材１１２Ｃとの間に排気ガス流路７２Ｃが規定されている。
【００６３】
管状部材１１４Ｃの一端部（上端部）は、外筒状部材１１２Ｃの上端壁１２４Ｃを貫通して上方に延び、かかる一端部が改質水流入部９０Ｃとして機能する。また、その他端部（下端部）は、外筒状部材１１２Ｃの下端壁１２６Ｃを貫通して下方に延び、この他端部が改質水流出部９４Ｃとして機能する。また、第１変形形態と同様に、外筒状部材１１２Ｃの下端部には排気ガス流入部１００Ｃが設けられ、その上端部には排気ガス流出部１０２Ｃが設けられている。
【００６４】
この第２気化器１２Ｃにおいては、改質水流路７０Ｃは、改質水流入部９０Ｃから改質水流出部９４Ｃまで下方に下り勾配で延びているので、改質水流入部９０Ｃから流入した改質水は、図３（Ｃ）に破線矢印で示すように改質水流路７０Ｃ内を滞留することなく下方に螺旋状に流れ、また排気ガス流路７２Ｃは、改質水流路７０Ｃを囲むように上方に延びているので、排気ガス流入部１００Ｃから流入した燃焼排気ガスは、図３（Ｃ）に実線矢印で示すように排気ガス流路７２Ｃ内を上方流れ、この第３の変形形態にように改質水流路７０Ｃを下り勾配にすることによっても、上述した第１の変形形態と同様の作用効果を達成することができる。加えて、改質水流路７０Ｃが螺旋状に延びているので、排気ガス流路７２Ｃを流れる燃焼排気ガスと改質水流路７０Ｃとの接触面積を大きくすることができ、これによって、燃焼排気ガスの熱回収を高めて改質水の水蒸気気化の効率を高めることができる。尚、改質水流路７０Ｃを螺旋状に構成するのではなく、直線状に下り勾配で延びるように構成するようにしてもよく、改質水が滞留することなく流下する程度の角度を持った下り勾配とするのが望ましい。
【００６５】
第１の実施形態の第２気化器１２（第１〜第３変形形態の気化器１２Ａ〜１２Ｃ）では、外筒状部材１１２（１１２Ａ〜１１２Ｃ）の下端部に排気ガス流入部１００（１００Ａ〜１００Ｃ）を設け、その上端部に排気ガス流出部１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）を設け、第２気化器１２（１２Ａ〜１２Ｃ）から第１気化器１０に向けて、即ち改質水の流れ方向に見て下流側に向けて温度が上り勾配となるように燃焼排気ガスを流しているが、これとは反対に、外筒状部材１１２（１１２Ａ〜１１２Ｃ）の上端部に排気ガス流入部１００（１００Ａ〜１００Ｃ）を設け、その下端部に排気ガス流出部１０２（１０２Ａ〜１０２Ｃ）を設けるようにしてもよく、このように構成した場合、燃焼排気ガス中の水分の凝縮による凝縮水の排水を容易に行うことが可能となる。
【００６６】
また、図１に一点鎖線で示すように、改質水送給流路１８（例え  ば、改質水用配管から構成される）における外部に露出する部分（即ち、第２気化器１２と燃料電池ハウジング６０との間に位置する部位）を断熱材１３２で覆うようにするのが望ましい。加えて、排気ガス送給流路５６（例えば、排気ガス用配管から構成される）における外部に露出する部分（即ち、燃料電池ハウジング６０と第２気化器１２との間に位置する部位）も断熱材１３４で覆うようにするのが望ましく、このように断熱材１３２，１３４で覆うことにより、外部への放熱ロスを抑えることができる。尚、これら改質水送給流路１８及び排気ガス送給流路５６を個別に断熱材１３２，１３４で覆う必要はなく、これらをまとめて断熱材で覆うようにしてもよく、或いは改質水送給流路１８及び排気ガス送給流路５６の外部露出部分（これらの外部露出配管部位）を極めて短く構成し、燃料電池ハウジング６０側の断熱材（図示せず）を利用して断熱するようにしてもよい。
【００６７】
〈第２の実施形態〉
次に、図４を参照して、第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。この第２の実施携帯においては、第２気化器に関連して修正が施されている。尚、以下の実施形態において、上述した第１の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
【００６８】
図４において、この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２Ａにおいては、燃料電池ハウジング６０の側壁上部に気化器ユニット１４２が取り付けられ、この気化器ユニット１４２のユニットハウジング１４４内に第２気化器１２が収容されている。第２気化器１２は、上述した形態と同様のものでよく、改質水が流れる改質水流路７０と、燃焼排気ガスが流れる排気ガス流路７２とを備え、この第２気化器１２の改質水流路７０は鉛直下方に延び、第２気化器１２と第１気化器１０とを接続する改質水流路１８は、下方に直線状に傾斜する下り勾配で延びている。
【００６９】
このユニットハウジング１４４には、その全内面を覆うように断熱材１４６が設けられ、燃焼排気ガスが流れる排気ガス送給流路５６Ａは、燃料電池ハウジング６０内から直接的にユニットハウジング１４４に導かれ、このユニットハウジング１４４内においては断熱材１４６に覆われて第２気化器１２（即ち、その排気ガス流路７２）に接続されている。また、改質水（水蒸気を含む）が流れる改質水流路１８Ａは、ユニットハウジング１４４内においては断熱材１４６に覆われ、このユニットハウジング１４４から直接的に燃料電池ハウジング６０に導かれて第１気化器１０に接続されている。
【００７０】
この実施形態では、排気ガス送給流路５６Ａにおけるユニットハウジング１４４内に位置する部位（具体的には、第２気化器１２の上流側）に補助燃焼ハウジング１４８が設けられ、この補助燃焼ハウジング１４８も断熱材１４６により覆われている。補助燃焼ハウジング１４８は、排ガス送給流路５６Ａよりも断面積が大きい触媒燃焼室１５０を規定し、かかる触媒燃焼室１５０に燃焼触媒１５２が充填されている。このように触媒燃焼室１５０を第２気化器１２の上流側に設けることにより、燃焼排気ガス中の未燃焼ガスを燃焼させることができるとともに、その燃焼熱を第２気化器１２での改質水の水蒸気気化に利用することができる。尚、未燃焼ガスの燃焼熱を水蒸気気化に利用しない場合、この補助燃焼ハウジング１４８を第２気化器１２の下流側の排気ガス排出流路５８に設けることができる。
【００７１】
また、この実施形態では、触媒燃焼室１５０（換言すると、燃焼触媒１５２）に関連して、例えば電気ヒータなどから構成される予熱加熱手段１５４が設けられる。予熱加熱手段１５４は、補助燃焼ハウジング１４８の周囲を囲むように設けられ、この触媒燃焼室１５０内の燃焼触媒１５２及びそこを流れる燃焼排気ガスを加熱する。この第２の実施形態のその他の構成は、上述した第１の実施形態と実施上同一である。
【００７２】
この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、燃焼域５４からの燃焼排気ガスは、排気ガス送給流路５６Ａを通して燃料電池ハウジング６０側からユニットハウジング１４４側の触媒燃焼室１５０に送給される。そして、この触媒燃焼室１５０にて、燃焼触媒１５２によって燃焼排気ガス中の未燃焼ガスが燃焼され、この燃焼熱によって燃焼触媒１５２の活性化が促進されるとともに、燃焼排気ガスが加熱されて第２気化器１２（その排気ガス流路７２）に送給され、かく加熱された燃焼排気ガスによって、第２気化器１２の改質水流路７０を流れる改質水が加熱気化され、このように燃焼排気ガス中の未燃焼ガスの燃焼熱を利用して改質水の改質気化を行うことができ、その結果、発電性能を安定化させることができるとともに、発電効率を高めることができる。
【００７３】
この予熱加熱手段１５４は、特に、燃料電池システム２の起動時などの燃焼触媒１５２の温度が低いときに作動される。このように作動されると、予熱加熱手段１５４は燃焼触媒１５２を加熱し、この燃焼触媒１５２の活性化が図られて起動時などから未燃焼ガスを燃焼させることができる。
【００７４】
この第２気化器に関連して、図５に示すように構成することもできる。図５において、この変形形態では、気化器ユニット１４２Ｄはユニットハウジング１４４Ｄを備え、このユニットハウジング１４４Ｄ内に第２気化器１２Ｄが収容され、この第２気化器１２Ｄは、例えば図３（ｃ）に示すものと同様の構成のものである。
【００７５】
この変形形態では、触媒燃焼室１５０を設けることに代えて、第２気化器１２Ｄの排気ガス流路７２に燃焼触媒１５２が充填されている。また、このことに関連して、排気ガス流路７２の周囲（即ち、外筒状部材１１２Ｄの外周側）に予熱加熱手段１５４Ｄが配設され、この予熱加熱手段１５４Ｄは、例えばリング状の電気ヒータから構成される。また、第２気化器１２Ｄ及び予熱加熱手段１５４Ｄは、断熱材１４６Ｄにより覆われてユニットハウジング１４４Ｄ内に収容されている。
【００７６】
この変形形態では、第２気化器１２Ｄの排気ガス流路７２に燃焼触媒１５２を充填するので、気化器ユニット１４２Ｄの構成を簡単にすることができるとともに、その小型化を図ることができる。加えて、予熱加熱手段１５４Ｄは第２気化器１２Ｄの全体（具体的には、排気ガス流路７２に充填された燃焼触媒１５２及び改質水流路７０を流れる改質水）を加熱するので、予熱加熱手段１５４Ｄの熱を有効に利用して気化器ユニット１４２Ｄを効率良く加熱することができる。
【００７７】
尚、図４に示す実施形態では、燃焼触媒１５２に関連して予熱加熱手段１５４を設けており、また図５に示す形態では、燃焼触媒１５２及び第２気化器１２Ｄに関連して予熱加熱手段１５４Ｄを設けているが、このような構成に限定されず、改質水送給流路１８Ａに関連して、或いは改質水送給流路１８Ａ及び第２気化器１２（１２Ｄ）に関連して、更には燃焼触媒１５２、第２気化器１２（１２Ｄ）及び改質水送給流路１８Ａに関連して予熱加熱手段１５４（１５４Ｄ）を設けるようにしてもよい。
【００７８】
また、図４に示す実施形態では、排気ガス送給流路５６Ａ（具体的には、触媒燃焼室１５０）に燃焼触媒１５２を設けており、また図５に示す形態では、第２気化器１２Ｄの排気ガス流路７０に燃焼触媒１５２を設けているが、排気ガス送給流路５６Ａ及び第２気化器１２Ｄの排気ガス流路７０の双方に燃焼触媒１５２を設けるようにしてもよい。
【００７９】
図４の実施形態では、更に、改質水送給流路１８Ａの流入部に温度検知手段１６０が設けられている。この温度検知手段１６０は、改質水送給流路１８Ａ内を第１気化器１０に向けて流れる改質水（水蒸気を含む）の温度を検知し、かかる検知温度に基づいて、原燃料ガス、改質水及び空気の少なくとも１つの送給流量及び／又はセルスタック６の発電出力を制御するのが望ましく、このように制御することによって、セルスタック６での発電反応、また燃焼域５４での余剰燃料ガスの燃焼、更には改質水の水蒸気気化を安定させることができる。尚、この温度検知手段１６０としては、例えば熱電対などを用いることができ、例えば第２気化器１２の改質水流路７０の流出部に設けるようにしてもよい。
【００８０】
セルスタック６の定常発電状態においては、この温度検知手段１６０の温度は所定温度範囲、例えば１４０〜１６０℃の範囲に保たれるように制御され、温度検知手段１６０の検知温度がこの所定温度範囲よりも高く（又は低く）なると、原燃料ガスに関しては、燃焼域５４での余剰燃料ガスの燃焼量が多い（又は少ない）として、原燃料ガスの供給流量が少なくなる（又は多くなる）ようにガス供給ポンプ３６（図１参照）を制御し、改質水に関しては、改質水の供給量が少なく（又は多く）て第２気化器１２での水蒸気気化が過剰である（又は不充分である）として、改質水の供給流量が多くなる（又は少なくなる）ように水供給ポンプ２６（図１参照）を制御し、また空気に関しては、燃焼排気ガスの温度を下げる（又は上げる）必要があるとして、空気の供給流量が多くなる（少なくなる）ように送風ブロア５０を制御し、更にセルスタック６の発電出力に関しては、燃料利用率が小さく（又は大きく）て余剰燃料ガスが多く発生しているとして、燃料利用率が大きくなる（又は小さくなる）ように発電出力を調整するのが望ましい。
【００８１】
また、この温度検知手段１６０の検知温度に基づいて、予熱加熱手段１５４（１５４Ｄ）を制御するようにしてもよく、この場合、温度検知手段１６０の検知温度が所定温度範囲よりも上昇したときには、予熱加熱手段１５４（１５４Ｄ）による加熱量を下げるように制御し、またこの検知温度が所定温度範囲よりも低下したときには、予熱加熱手段１５４（１５４Ｄ）による加熱量を上げるように制御し、このように加熱制御することによって、第２気化器１２（１２Ｄ）での水蒸気気化状態を安定化させることができるとともに、セルスタック６での発電状態を安定化させることができる。
【００８２】
また、高い燃料利用率（例えば、燃料利用率が７５％以上）での定常発電状態において、この温度検知手段１６０の検知温度が急激に下降変動した（例えば、１分間当たりに換算した温度変動の割合が例えば５℃／分以上である）場合、燃焼域５４での余剰燃料ガスの燃焼量が少なく、今後気化不良が発生すると推定しその燃焼量を多くする必要があるとして、燃料利用率を小さくするように原燃料ガスの供給量の制御を行うことが望ましく、このように燃料利用率を制御することによって、第２気化器１２Ｄでの水蒸気気化の悪化を未然に防ぎ、セルスタック６の発電状態を安定させることができる。
【００８３】
また、この温度検知手段１６０の検知温度を利用して次のように制御することもできる。この検知温度が所定温度（例えば、１３０℃前後に設定される）を超えたときには、第２気化器１２に供給された改質水が全て水蒸気気化されたと判断することができ、このような場合、燃料ガス供給流路３２からセルスタック６に供給される原燃料ガスの供給量を減少させ（これによって、燃焼域５４での余剰燃料ガスの燃焼量を少なくする）、このようにして原燃料ガスの燃料利用率を増加させるように制御することができる。この場合、燃料電池システムにおける燃料利用率を例えば５〜１０ポイント程度大きくするように制御することができ、その結果、セルスタック６の作動温度を高温状態に維持しながら発電効率を高めることができる。
【００８４】
〈第３の実施形態〉
次に、図６を参照して、第３の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。第３の実施形態では、燃料電池ハウジングが二重ハウジング構造に構成されている。
【００８５】
図６において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２Eでは、燃料電池ハウジング６０Ｅは、内側に配置される内側ハウジング１６２と、この内側ハウジング１６２を覆う外側ハウジング１６４とから構成されている。内側ハウジング１６２は、例えばステンレス鋼などの高耐熱性の金属材料から形成され、この内側ハウジング１６２が内側空間１６６を規定し、この内側空間１６６内にセルスタック６、燃焼域５４、改質器４、第１気化器１０及び酸化材予熱器５２が配設される。また、外側ハウジング１６４は、鉄、ステンレス鋼などの金属材料の枠組構造体を備え、この枠組構造体の内面を覆うように断熱材（図示せず）が配設され、この断熱材を枠組構造体に保持固定することにより外側ハウジング１６４が構成される。この外側ハウジング１６４は、内側ハウジング１６２との間に外側空間１６８を規定し、かかる外側空間１６８内に第２気化器１２Ｅが配設される。
【００８６】
この実施形態では、内側空間１６６及び外側空間１６８が高温状態に保たれ、内側空間１６６内の高温の熱が内側ハウジング１６６を介して外側空間１６８に伝達され、本明細書においては、この内側ハウジング１６２が燃料電池ハウジングとして機能する。
【００８７】
この第３の実施形態においても、第２気化器１２Ｅと第１気化器１０とを接続する改質水送給流路１８Ｅ（例えば、改質水用配管から構成される）が内側ハウジング１６２を貫通して鉛直下方に延びて第１気化器１０に接続されている。尚、この改質水送給流路１８Ｅは、上述したように、第２気化器１２Ｅから第１気化器１０まで下り勾配で下方に延びるように構成してもよい。
【００８８】
更に、この実施形態では、改質水供給流路２４及び燃料ガス供給流路３２が第２気化器１２Ｅ（具体的には、改質水流路７０Ｅ）に接続され、改質水及び原燃料ガスが第２気化器１２Ｅに供給される。尚、この第３の実施形態においても、上述した実施形態と同様に、燃料ガス供給流路３２を第１気化器１０に接続し、原燃料ガスを第１気化器１０に供給するようにしてもよい。この第３の実施形態のその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。
【００８９】
この第３の実施形態においては、原燃料ガス及び改質水が第２気化器１２Ｅの改質水流路７０Ｅに供給される。第２気化器１２Ｅにおいては、改質水流路７０Ｅを流れる改質水及び燃料ガスと排気ガス流路７２Ｅを流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換が行われ、かかる熱交換により改質水の水蒸気気化が行われ、この水蒸気気化には、外側空間１６８内の熱も利用して行われ、この水蒸気気化を効率良く行うことができる。また、改質水（気化された水蒸気を含む）が改質水流路７０Ｅを流れる間に、気化された水蒸気と原燃料ガスとの混合が行われ、この混合燃料ガスが加熱される。
【００９０】
加熱された混合燃料ガス及び気化していない改質水は、改質水送給流路１８Ｅを通して第１気化器１０に送給され、第２気化器１０において残りの改質水の水蒸気気化が行われるとともに、生成された水蒸気と混合燃料ガスとの混合が更に行われ、このように混合された混合燃料ガスが改質器４に送給されて燃料ガスの水蒸気改質が行われる。
【００９１】
この実施形態においても、改質水送給流路１８Ｅが鉛直（又は下り勾配）に構成されているので、この改質水送給流路１８Ｅにおける改質水の滞留を少なく抑えることができ、これによって、Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン比）の変動幅を小さくすることができる。加えて、第２気化器１２Ｅ及び改質水送給流路１６Ｅが高温状態に保たれているので、改質水の水蒸気気化に周囲（外側空間１６８及び内側空間１６６）の熱を利用して行うことができ、この水蒸気気化を効率良く行うことができる。
以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの各種実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
【符号の説明】
【００９２】
２，２Ａ，２Ｅ  固体酸化物形燃料電池システム
４ 改質器
６  セルスタック
１０  第１気化器
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ  第２気化器
１８，１８Ａ  改質水送給流路
２４  改質水供給流路
３２  燃料ガス供給流路
４８  酸化材供給流路
５２  酸化材予熱器
５４  燃焼域
５６，５６Ａ  排気ガス送給流路
６０，６０Ｅ  燃料電池ハウジング
７０  改質水流路
７２  排気ガス流路
１４２，１４２Ｄ  気化器ユニット
１５０  触媒燃焼室
１５２  燃焼触媒
１５４，１５４Ｄ  予熱加熱器
１６０  温度検知手段
１６２  内側ハウジング
１６４  外側ハウジング
【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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