(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、
供給源から供給される改質用原料と前記蒸発部から供給される前記水蒸気とから前記改質ガスを生成して前記燃料電池に供給する改質部と、
前記蒸発部および前記改質部と、前記燃料電池から導出される可燃性ガスの複数の導出口との間にて、前記可燃性ガスを燃焼させる燃焼空間である燃焼部と、
放電を行うことにより、前記可燃性ガスを点火して前記燃焼部を着火する着火装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記蒸発部は、導電性の第一ケーシングを有し、
前記改質部は、導電性の第二ケーシングを有し、
前記着火装置は、接地電極および前記燃焼部に配設された放電電極を有し、電源から供給される電力によって前記接地電極と前記放電電極との間で前記放電を行い、
前記接地電極は、前記燃焼部に設置可能な部材である前記第一ケーシング又は前記第二ケーシングによって形成されている燃料電池システム。
【請求項２】
前記着火装置は、前記複数の導出口のうち前記可燃性ガスの導出量が多い導出口から導出される前記可燃性ガスを点火する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記着火装置は、前記複数の導出口のうち前記可燃性ガスの導出量が少ない導出口から導出される前記可燃性ガスを点火する請求項１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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの一形式として、特許文献１および特許文献２に示されているものが知られている。燃料電池システムの着火装置は、特許文献１の図７および特許文献２の図１０に示すように、一対の電極の間に形成された放電部にて火花放電を行うことにより、燃料電池から導出される可燃性ガスを点火して燃焼部を着火している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−６５５０６号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７１６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムにおいては、普及率向上等のため、低コスト化の要請がある。
そこで、本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、放電を行うことにより燃焼部を着火する着火装置を備える燃料電池システムの低コスト化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、供給源から供給される改質用原料と蒸発部から供給される水蒸気とから改質ガスを生成して燃料電池に供給する改質部と、蒸発部および改質部と、燃料電池から導出される可燃性ガスの複数の導出口との間にて、可燃性ガスを燃焼させる燃焼空間である燃焼部と、放電を行うことにより、可燃性ガスを点火して燃焼部を着火する着火装置と、を備えた燃料電池システムであって、蒸発部は、導電性の第一ケーシングを有し、改質部は、導電性の第二ケーシングを有し、着火装置は、接地電極および前記燃焼部に配設された放電電極を有し、電源から供給される電力によって前記接地電極と前記放電電極との間で前記放電を行い、接地電極は、燃焼部に設置可能な部材である第一ケーシング又は第二ケーシングによって形成されている。
【発明の効果】
【０００６】
これによれば、接地電極が、燃焼部に設置可能な部材によって形成され、放電電極が燃焼部に配設されているため、着火装置が燃焼部を安定的に着火できる。また、従来技術の着火装置のように棒状の導電体によって接地電極を形成する場合に比べて着火装置ひいては燃料電池システムの部品点数を少なくすることができる。よって、燃料電池システムの低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明による燃料電池システムの第一実施形態を示す概要図である。
【図２】図１に示す燃料電池モジュールの横断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池モジュールの側断面図である。
【図４】図２および図３に示す燃料電池モジュールの内部（特に蒸発部、改質部）を示す上面図である。
【図５】図２および図３に示す燃料電池モジュールの内部（特に燃料電池、着火装置）を示す上面図である。
【図６】図５に示す第一燃焼部温度センサおよび着火装置の縦断面図である。
【図７】図１に示す燃料電池システムのブロック図である。
【図８】本発明による第二実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図９】本発明による第二実施形態に係る燃料電池モジュールの内部（特に燃料電池、着火装置）を示す上面図である。
【図１０】本発明による各実施形態の着火装置の一の変形例を示す部分拡大側面図である。
【図１１】本発明による各実施形態の着火装置の他の変形例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第一実施形態）
以下、本発明による燃料電池システムの第一実施形態について説明する。図１に示すように、この燃料電池システム１は、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。
【０００９】
発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、電力変換装置１３、水タンク１４、制御装置１５を備えている。燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、電力変換装置１３、水タンク１４、制御装置１５は、筐体１０ａ内に収容されている。
【００１０】
燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池装置３４（５０）を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエア（酸化剤ガス）が供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。
【００１１】
熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。
【００１２】
熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ冷却されるとともに燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮される。冷却後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。
【００１３】
上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
【００１４】
さらに、電力変換装置１３は、燃料電池装置３４から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、電力変換装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介してあるいは燃料電池装置３４の直流電圧を入力し所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。なお、制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システム１の運転を制御する。
【００１５】
燃料電池モジュール１１（３０）は、固体酸化物形の燃料電池モジュールである。燃料電池モジュール３０は、ハウジング３１、蒸発部３２、改質部３３、燃料電池装置３４（５０）および第一燃焼部３５（本発明の燃焼部に相当）を備えている。なお、本明細書においては説明の便宜上、図２における上側および下側をそれぞれ燃料電池モジュール３０の上方および下方とし、同じく左側および右側をそれぞれ燃料電池モジュール３０の左方および右方とし、同じく紙面奥側および紙面手前側を、それぞれ燃料電池モジュール３０の前方および後方として説明する。また、図２乃至図６および図９，１０には、各方向を示す矢印を示している。
【００１６】
図２および図３に示すように、ハウジング３１は、導電性の金属（例えば合金鋼または炭素鋼）で箱状に形成され、断熱材料が配設されている。蒸発部３２および改質部３３は、燃料電池装置３４の上方に位置するように配設されている。
蒸発部３２には、改質用原料供給管１１ａの他端および水供給管１１ｂの他端が接続されている（図４参照）。蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、水タンク１４から水供給管１１ｂを介して改質水として供給される凝縮水を蒸発させて水蒸気（改質用水蒸気）を生成して導出するものである。また、蒸発部３２は、改質用原料供給管１１ａを介して供給された改質用原料を予熱するものである。そして、蒸発部３２は、改質水（凝縮水）を蒸発させて生成された水蒸気（改質用水蒸気）と予熱された改質用原料を混合して改質部３３へ導出するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。
【００１７】
改質部３３は、改質用原料と水蒸気（改質用水蒸気）とから改質ガスを生成するものである。具体的には、改質部３３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、改質用水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して、水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（改質ガス）は燃料電池装置３４に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。
【００１８】
上述した蒸発部３２および改質部３３は、図４に示すように、ケーシング４０に形成されている。ケーシング４０は、前後方向に沿って延びる第一直方体部４０ａおよび第二直方体部４０ｂ、並びに、直方体部４０ａ，４０ｂを後端部にて連結する連結部４０ｃによって平面Ｕ字状に形成されている。ケーシング４０は導電性の金属（例えば合金鋼または炭素鋼）にて形成されている。ケーシング４０は、内部が空洞である断面方形状に形成されている。ケーシング４０は、第一直方体部４０ａの内部に形成された側壁４０ｄを境にして、蒸発部ケーシング４１（本発明の第一ケーシングに相当）と改質部ケーシング４２（本発明の第二ケーシングに相当）とに気体が流通可能に区画されている。蒸発部ケーシング４１内に蒸発部３２が形成され、改質部ケーシング４２内に改質部３３が形成されている。このように、蒸発部ケーシング４１と改質部ケーシング４２とは、一体的に形成されている。また、第一直方体部４０ａは、第一スタック５１ａ（後述する）の上方に配設されている。第二直方体部４０ｂは、第二スタック５１ｂ（後述する）の上方に配設されている（図２乃至図４参照）。
【００１９】
燃料電池装置３４（５０）は、図２，３および図５に示すように、燃料電池５１、マニホールド５２および電極５３を備えている。燃料電池装置５０は、電極５３を２つ備えている（図５参照）。燃料電池５１は、改質ガスと酸化剤ガスとにより発電するものである。酸化剤ガスは、本実施形態において、空気（カソードエア）である。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池５１の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。燃料電池５１は、図５に示すように、第一スタック５１ａ、第二スタック５１ｂ、スタック支持部材５１ｃ、電流引出部材５１ｄおよび連結部材５１ｅを備えている。
【００２０】
スタック５１ａ，５１ｂは、燃料極、空気極（酸化剤極）、及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル５１ａ１，５１ｂ１が、前後方向に沿って積層されて構成されている（図３および図５参照）。セル５１ａ１，５１ｂ１の燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路５１ａ２，５１ｂ２が形成されている。燃料流路５１ａ２，５１ｂ２の上端の導出口５１ａ３，５１ｂ３（図３参照）から、アノードオフガス（後述する）が導出される。セル５１ａ１，５１ｂ１の空気極側には、空気（カソードエア）が流通する空気流路５１ａ４，５１ｂ４が形成されている。また、２つのスタック５１ａ，５１ｂは、セル５１ａ１，５１ｂ１が積層された方向を前後方向とするよう並列に配設されている。
【００２１】
スタック支持部材５１ｃは、図５に示すように、スタック５１ａ，５１ｂの前端部および後端部にそれぞれ配設され、スタック５１ａ，５１ｂを支持するものである。スタック支持部材５１ｃは、導電性材料によって平板状に形成され、例えば導電性接着剤によってスタック５１ａ，５１ｂの端部にそれぞれ接合されている。
電流引出部材５１ｄは、セル５１ａ１，５１ｂ１の発電により生じる電流を引き出すものである。電流引出部材５１ｄは、導電性材料にて、前後方向に延びる板状に形成されている。また、電流引出部材５１ｄは、スタック支持部材５１ｃと一体的に形成されている。
連結部材５１ｅは、導電性材料によって形成され、スタック５１ａ，５１ｂの前端部にそれぞれ設けられた電流引出部材５１ｄを連結するものである。ここで、スタック５１ａ，５１ｂは、スタック５１ａ，５１ｂの同じ側の端部で、極性が逆となるように配設されている。これにより、連結部材５１ｅは、スタック５１ａ，５１ｂを電気的に直列に連結する。
【００２２】
燃料電池５１は、マニホールド５２上に設けられている。マニホールド５２は、中空の箱状に形成されている。マニホールド５２には、図３に示すように、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管５４を介して供給される（破線の矢印を参照）。改質ガス供給管５４は、導電性の金属（例えば合金鋼または炭素鋼）にて形成されている。改質ガス供給管５４の一端（上端）は、改質部ケーシング４２（第二直方体部４０ｂ）の前端部に接続されている。改質ガス供給管５４の他端（下端）は、マニホールド５２における第二スタック５１ｂの前方に接続されている（図５参照）。改質部３３からの改質ガスは、マニホールド５２の内部を流通して上側壁に形成された複数の開口部５２ａから導出する（実線の矢印を参照）。開口部５２ａには、燃料流路５１ａ２，５１ｂ２の下端が気密に接続されている。開口部５２ａから導出される改質ガスは、燃料流路５１ａ２，５１ｂ２に下端から導入され、アノードオフガス（後述する）として導出口５１ａ３，５１ｂ３から導出されるようになっている。
【００２３】
一方、カソードエア（空気）は、図２に破線にて示すように、空気供給管３１ａを介して空気流路５１ａ４，５１ｂ４に供給される。空気供給管３１ａは、カソードエア供給管１１ｃの他端と連通し、カソードエア供給管１１ｃからのカソードエアを空気流路５１ａ４，５１ｂ４の一端（下端）に導出するものである。空気供給管３１ａは、ハウジング３１と一体的に導電性の金属（例えば合金鋼または炭素鋼）にて形成されている。空気供給管３１ａは、ハウジング３１の上壁内側からスタック５１ａ，５１ｂの間を垂下するように形成されている。そして、カソードエアは、空気流路５１ａ４，５１ｂ４の一端（下端）から導入され他端（上端）から導出されるようになっている。
【００２４】
また、改質ガス供給管５４の他端が、マニホールド５２における第二スタック５１ｂの前方にて接続されているため、マニホールド５２内において、改質ガス供給管５４の他端から各燃料流路５１ａ２，５１ｂ２までの距離は、改質ガス供給管５４の他端から第二スタック５１ｂの前端部の燃料流路５１ｂ２までの距離が最も短い。マニホールド５２内の圧力損失は、距離に比例するため、改質ガス供給管５４の他端から第二スタック５１ｂの前端部の燃料流路５１ｂ２までの間の圧力損失が最も小さい。よって、各導出口５１ａ３，５１ｂ３からのアノードオフガスの流量を比較した場合、第二スタック５１ｂの前端部の導出口５１ｂ３からのアノードオフガスの流量が多くなっている。なお、改質ガス供給管５４の他端から各燃料流路５１ａ２，５１ｂ２までの距離は、改質ガス供給管５４の他端から第一スタック５１ａの後端部の燃料流路５１ａ２までの距離が最も長い。よって、各導出口５１ａ３，５１ｂ３からのアノードオフガスの流量を比較した場合、第一スタック５１ａの後端部の導出口５１ａ３からのアノードオフガスの流量が少なくなっている。
【００２５】
燃料電池５１においては、燃料極に供給された改質ガスと空気極に供給されたカソードエアによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１及び化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ２−）が、電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路５１ａ２，５１ｂ２（導出口５１ａ３，５１ｂ３）及び空気流路５１ａ４，５１ｂ４からは、発電に使用されなかった改質ガス及びカソードエアが導出する。燃料電池５１によって発電された電力は、電力変換装置１３に電極５３を介して出力される。電極５３は、スタック５１ａ，５１ｂの後端部にそれぞれ設けられた電流引出部材５１ｄに接続されている。
（化１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
（化２）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（化３）
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
【００２６】
第一燃焼部３５は、図２および図３に示すように、蒸発部３２および改質部３３と、燃料電池５１から導出される可燃性ガスの複数の導出口５１ａ３，５１ｂ３との間にて、可燃性ガスを酸化剤ガスで燃焼させるものである。可燃性ガスは、燃えるガスであり、発電に使用されずに燃料流路５１ａ２，５１ｂ２（導出口５１ａ３，５１ｂ３）から導出した改質ガス（アノードオフガス）である。酸化剤ガスは、発電に使用されずに空気流路５１ａ４，５１ｂ４から導出した空気（カソードエア（カソードオフガス））である。第一燃焼部３５は、アノードオフガスを酸化剤ガスで燃焼させる燃焼空間である。第一燃焼部３５では、アノードオフガスが燃焼されて燃焼ガス（火炎３６）が発生し、その燃焼ガスによって蒸発部３２および改質部３３が加熱される。
【００２７】
第一燃焼部３５は、左燃焼部３５ａおよび右燃焼部３５ｂを備えている。左燃焼部３５ａは、図２に示すように、蒸発部３２を内部に有する第一直方体部４０ａと第一スタック５１ａの導出口５１ａ３との間に配設されている。これにより、左燃焼部３５ａが、改質部３３の一部および蒸発部３２を加熱する。右燃焼部３５ｂは、第二直方体部４０ｂと第二スタック５１ｂの導出口５１ｂ３との間に配設されている。これにより、右燃焼部３５ｂが、改質部３３の一部を加熱する。さらに、燃焼ガスは、燃料電池モジュール３０内を燃料電池５１の動作温度に加熱している。また、第一燃焼部３５では、アノードオフガスが燃焼されてその燃焼排ガスが発生している。そして、その燃焼排ガスは排気口３１ｂ（図３参照）を介して燃料電池モジュール３０から排気される。
【００２８】
また、燃料電池モジュール３０は、図２，図３および図５に示すように、第一燃焼部温度センサ３７（本発明の温度センサに相当）および着火装置３８をさらに備えている。
第一燃焼部温度センサ３７は、前後方向を長手方向とする棒状に形成され、第一燃焼部３５（右燃焼部３５ｂ）の温度を検出するものである。第一燃焼部温度センサ３７は、その検出結果を制御装置１５に送信する。第一燃焼部温度センサ３７は、図６に示すように、センサ部３７ａおよびセンサ部保護管３７ｂ（本発明の第三ケーシングに相当）を備えている。
【００２９】
センサ部３７ａは、シース熱電対である。センサ部３７ａは、シース３７ａ１、一対の素線３７ａ２および温度検出部３７ａ３を備えている。シース３７ａ１は、導電性を有するステンレス鋼によって中空の棒状に形成されている。シース３７ａ１内には、素線３７ａ２および温度検出部３７ａ３が配設され、マグネシウム粉末（図示なし）等の絶縁物が充填されている。温度検出部３７ａ３は、シース３７ａ１内の一端（後端）部に収納され、配設された部位の温度を検出するものである。温度検出部３７ａ３は、右燃焼部３５ｂの前端部に位置するように配設されているため（図５参照）、右燃焼部３５ｂの前端部の温度を検出する。
【００３０】
センサ部保護管３７ｂは、導電性を有するステンレス鋼にて、中空の棒状に形成されている。センサ部保護管３７ｂは、内側にセンサ部３７ａを収容する。これにより、センサ部保護管３７ｂは、センサ部３７ａを火炎３６から保護する。また、センサ部保護管３７ｂは、先端部（後端部）に小径部３７ｂ１および小径部３７ｂ１の前側に大径部３７ｂ２を有している。小径部３７ｂ１の内側面は、センサ部３７ａのシース３７ａ１の外側面と接触するように形成されている。すなわち、センサ部保護管３７ｂの小径部３７ｂ１（先端部（後端部））は、右燃焼部３５ｂの前端部に位置する。これにより、右燃焼部３５ｂの温度が温度検出部３７ａ３へ確実に伝達する。また、センサ部保護管３７ｂは、センサ部３７ａを着脱可能に収容する。具体的には、センサ部保護管３７ｂの後端側に形成された開口部３７ｂ３から、センサ部３７ａが引抜きおよび挿入される。さらに、センサ部保護管３７ｂの後端の周縁に鍔部３７ｂ４が形成されている。この鍔部３７ｂ４に、センサ部３７ａの後端部に配設された鍔部３７ａ４が例えば取付ボルト（図示なし）によって着脱可能に取り付けられている。これにより、センサ部３７ａのメンテナンス性が向上する。
【００３１】
また、第一燃焼部温度センサ３７は、フランジ部材３７ｃ（本発明の支持部材に相当）を介してハウジング３１に固定されている。フランジ部材３７ｃは、板状に形成され、ハウジング３１に対して例えば取付ボルト（図示なし）によって気密に固定されている。センサ部保護管３７ｂは、フランジ部材３７ｃの貫通穴３７ｃ１に貫通して挿入され、例えばシリコン系やセラミック系等の接着剤によって気密に固定されている。
【００３２】
着火装置３８は、放電を行うことにより、可燃性ガス（アノードオフガス）を点火して、第一燃焼部３５を着火するものである。点火は、対象（アノードオフガス）に火をつけることである。着火は、火が継続してついている状態（燃焼状態）に、対象（第一燃焼部３５）がなっていることである。着火装置３８は、電極支持部材３８ａ、放電電極３８ｂおよび接地電極３８ｃおよびを備えている。
【００３３】
電極支持部材３８ａは、放電電極３８ｂを支持するものである。電極支持部材３８ａは、絶縁性材料（例えばアルミナ）によって前後方向を長手方向とする棒状に形成されている。また、電極支持部材３８ａは、フランジ部材３７ｃの貫通穴３７ｃ２に貫通して挿入され、例えばシリコン系やセラミック系等の接着剤によって気密に固定されている。電極支持部材３８ａは、第一燃焼部温度センサ３７と長手方向に沿って互いに並列に固定されている。また、電極支持部材３８ａは、長手方向に沿って貫通する貫通穴３８ａ１が形成されている。
【００３４】
放電電極３８ｂは、接地電極３８ｃとの間にて放電するものである。放電電極３８ｂは、導電性を有する合金鋼によって棒状に形成されている。合金鋼は、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の高温用耐熱電熱合金（商品名：ＹＳＳ−エスイット）である。放電電極３８ｂは、一端（後端）がセンサ部保護管３７ｂに向くように、一端部が折り曲げられている。これにより、放電電極３８ｂにおけるセンサ部保護管３７ｂとの距離は、放電電極３８ｂの一端が最も短くなっている。放電電極３８ｂは、貫通穴３８ａ１を貫通するように配設され、貫通穴３８ａ１内側に充填された例えばシリコン系やエポキシ系の封止材３８ｄによって気密に固定されている。これにより、放電電極３８ｂは、第一燃焼部温度センサ３７と長手方向に沿って互いに並列に固定される。また、放電電極３８ｂは、一端部（後端部）が右燃焼部３５ｂの前端部に位置するように固定されている（図５参照）。また、放電電極３８ｂの一端が、第二スタック５１ｂの前端部の導出口５１ｂ３の上方に位置する（図５参照）。
【００３５】
放電電極３８ｂは、他端部（前端部）が電源装置Ｐｗ（本発明の電源に相当）に電気的に接続されている。電源装置Ｐｗは、放電が行われる場合、制御装置１５の制御指令によって放電電極３８ｂに所定の電力を供給するものである。
【００３６】
接地電極３８ｃは、第一燃焼部３５に設置可能な部材によって形成されている。接地電極３８ｃは、本実施形態においては、センサ部保護管３７ｂによって形成されている。センサ部保護管３７ｂは、上述したように導電性を有しており、例えば電線（図示なし）を介して接地されている。放電電極３８ｂに電源装置Ｐｗによって所定の電力が供給された場合、放電電極３８ｂと接地電極３８ｃとの間に生じる電位差によって、放電電極３８ｂの一端と接地電極３８ｃとの間に放電が行われる。放電電極３８ｂの一端部および接地電極３８ｃの先端部は、右燃焼部３５ｂの前端部に配設されている。このように、本実施形態においては、センサ部保護管３７ｂが本発明の第一燃焼部３５に設置可能な部材に相当する。
【００３７】
上述したように、他の導出口５１ａ３，５１ｂ３に比べて第二スタック５１ｂの前端部の導出口５１ｂ３からのアノードオフガスの流量が多くなっているため、右燃焼部３５ｂの前端部は、第一燃焼部３５のうちアノードオフガスが導出される流量が多い。すなわち、着火装置３８は、複数の導出口５１ａ３，５１ｂ３のうち、アノードオフガスの導出量が多い導出口５１ｂ３から導出されるアノードオフガスを点火する。これにより、火炎３６が生じ、この火炎３６が移ることにより、第一燃焼部３５全体が着火する。
【００３８】
さらに、ハウジング３１は、図３に示すように、排気口３１ｂに第二燃焼部３９を備えている。第二燃焼部３９は、第一燃焼部３５で燃焼されなかった可燃性ガス（以下、未燃焼可燃性ガスとする）を導入し燃焼して導出するものである。未燃焼可燃性ガスは、例えば、水素、メタンガス、一酸化炭素などである。第二燃焼部３９は、未燃焼可燃性ガスを燃焼する触媒である燃焼触媒（例えばセラミックハニカムまたは、メタルハニカムと貴金属の触媒である。）で構成されている。
【００３９】
第二燃焼部３９には、燃焼触媒ヒータ３９ａおよび第二燃焼部温度センサ３９ｂが設けられている。燃焼触媒ヒータ３９ａは、未燃焼可燃性ガスを燃焼させる燃焼触媒を加熱するものである。燃焼触媒ヒータ３９ａは、燃焼触媒を触媒の活性温度まで加熱する。燃焼触媒ヒータ３９ａは、制御装置１５の指示によって交流電流により加熱する交流ヒータ（ＡＣヒータ：交流補機）である。
第二燃焼部温度センサ３９ｂは、第二燃焼部３９の温度を検出するものである。具体的には、第二燃焼部温度センサ３９ｂは、第二燃焼部３９において配設された位置の温度を検出している。第二燃焼部温度センサ３９ｂは、その検出結果を制御装置１５に送信する。
【００４０】
制御装置１５は、燃料電池５１を少なくとも制御するものである。制御装置１５は、図７に示すように、上述した各温度センサ３７，３９ｂ、各ポンプ１１ａ１，１１ｂ１，２２ａ、カソードエアブロワ１１ｃ１、着火装置３８および燃焼触媒ヒータ３９ａが接続されている。
【００４１】
次に、上述した燃料電池システム１の系統電源１６ａから送電がある場合の基本的動作の一例について説明する。制御装置１５は、スタートスイッチ（図示なし）が押されて運転が開始される場合、または計画運転にしたがって運転が開始される場合には、起動運転を開始する。
【００４２】
起動運転が開始されるときは、制御装置１５は、補機を作動させる。具体的には、制御装置１５は、ポンプ１１ａ１，１１ｂ１を作動させ、蒸発部３２に改質用原料および改質水の供給を開始する。上述したように、蒸発部３２では混合ガスが生成されて、混合ガスは改質部３３に供給される。改質部３３では、供給された混合ガスから改質ガスが生成されて、改質ガスが燃料電池５１に供給される。そして、制御装置１５が着火装置３８によって放電を行う。具体的には、制御装置１５が放電電極３８ｂに電源装置Ｐｗからの電力を供給することにより、放電電極３８ｂと接地電極３８ｃとの間にて放電が行われる。これにより、導出口５１ｂ３から導出された可燃性ガスである改質ガスが点火されて、第一燃焼部３５が着火される。第一燃焼部温度センサ３７の検出温度が第一判定温度（例えば、６００℃）以上となった場合、制御装置１５は、第一燃焼部３５が着火されたと判定する。また、改質部３３内部の温度が作動温度（例えば４００℃）以上となれば、起動運転が終了し、発電運転を開始する。
【００４３】
発電運転中では、制御装置１５は、燃料電池５１の発電する電力が、外部電力負荷１６ｃの消費電力となるように補機を制御して、改質用原料およびカソードエア（空気）を燃料電池モジュール３０ひいては燃料電池５１に供給する。燃料電池５１の発電する電力より外部電力負荷１６ｃの消費電力が上回った場合、その不足電力が系統電源１６ａから受電して補われるようになっている。
【００４４】
本第一実施形態によれば、燃料電池システム１は、改質ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池５１と、改質水から水蒸気を生成する蒸発部３２と、供給源Ｇｓから供給される改質用原料と蒸発部３２から供給される水蒸気とから改質ガスを生成して燃料電池５１に供給する改質部３３と、蒸発部３２および改質部３３と、燃料電池５１から導出される可燃性ガス（アノードオフガス）の複数の導出口５１ａ３，５１ｂ３との間にて、可燃性ガスを燃焼させる燃焼空間である第一燃焼部３５（右燃焼部３５ｂ）と、放電を行うことにより、可燃性ガスを点火して第一燃焼部３５を着火する着火装置３８と、を備えている。着火装置３８は、接地電極３８ｃおよび第一燃焼部３５に配設された放電電極３８ｂを有し、電源装置Ｐｗから供給される電力によって接地電極３８ｃと放電電極３８ｂとの間で放電を行い、接地電極３８ｃは、第一燃焼部３５に設置可能な部材によって形成されている。
また、蒸発部３２は、導電性の蒸発部ケーシング４１を有し、改質部３３は、導電性の改質部ケーシング４２を有している。燃料電池システム１は、第一燃焼部３５の温度を検出する温度検出部３７ａ３と、温度検出部３７ａ３が収納された導電性のセンサ部保護管３７ｂを有している第一燃焼部温度センサ３７と、をさらに有している。接地電極３８ｃは、センサ部保護管３７ｂである。
これによれば、接地電極３８ｃが、センサ部保護管３７ｂによって形成され、放電電極３８ｂが第一燃焼部３５に配設されているため、着火装置３８が第一燃焼部３５を安定的に着火できる。また、従来技術の着火装置のように棒状の導電体によって接地電極３８ｃを形成する場合に比べて着火装置３８ひいては燃料電池システム１の部品点数を少なくすることができる。よって、燃料電池システム１の低コスト化を図ることができる。
【００４５】
また、センサ部保護管３７ｂおよび放電電極３８ｂは、棒状にそれぞれ形成され、着火装置３８は、センサ部保護管３７ｂと放電電極３８ｂとを長手方向に沿って互いに並列させて支持するフランジ部材３７ｃをさらに備え、接地電極３８ｃは、センサ部保護管３７ｂである。
これによれば、接地電極３８ｃである棒状のセンサ部保護管３７ｂが、棒状の放電電極３８ｂと互いに並列にフランジ部材３７ｃに配設されているため、接地電極３８ｃと放電電極３８ｂとがそれぞれ別部材に配設されている場合に比べて、電極間の距離の精度を向上させることができる。よって、放電条件を一定にすることができるため、可燃性ガスの点火の安定化を図ることができる。
【００４６】
着火装置３８は、複数の導出口５１ａ３，５１ｂ３のうち可燃性ガス（アノードオフガス）の導出量が多い導出口５１ｂ３から導出される可燃性ガスを点火する。
これによれば、着火装置３８が、複数の導出口５１ａ３，５１ｂ３のうち可燃性ガスの導出量が少ない導出口５１ａ３から導出される可燃性ガスを点火する場合に比べて、可燃性ガスが点火され易い。よって、可燃性ガスの点火を比較的簡便に行うことができる。
【００４７】
（第二実施形態）
次に、本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態について、主として上述した第一実施形態と異なる部分について説明する。本第二実施形態においては、上述した第一実施形態と比べて、制御装置１５が吹き消え判定部１５ａをさらに備えている（図８参照）。
【００４８】
吹き消え判定部１５ａは、第一燃焼部３５が吹き消えたか否かを判定するものである。第一燃焼部３５の吹き消えは、第一燃焼部３５の少なくとも一部の燃焼状態が終了することである。燃料電池システム１の起動運転中および発電運転中において第一燃焼部３５が燃焼状態であるとき、第一燃焼部３５の少なくとも一部が吹き消えた場合、第二燃焼部３９によって燃焼される上述した未燃焼可燃性ガスの流量が増加するため、第二燃焼部３９の温度が上昇する。第二燃焼部温度センサ３９ｂの検出温度が第二判定温度以上となった場合、吹き消え判定部１５ａは、第一燃焼部３５が吹き消えたと判定する。第二判定温度は、予め実験等によって実測されて導出されている。吹き消え判定部１５ａによって第一燃焼部３５が吹き消えたと判定された場合、制御装置１５は、着火装置３８を放電させて、可燃性ガス（アノードオフガス）を再点火して、第一燃焼部３５を再度着火する。
一方、第二燃焼部温度センサ３９ｂの検出温度が第二判定温度より低い場合、吹き消え判定部１５ａは、第一燃焼部３５が吹き消えていないと判定する。
【００４９】
また、本第二実施形態においては、着火装置３８が左燃焼部３５ａの後端部に配設されている点において、上述した第一実施形態と異なっている。具体的には、図９に示すように、放電電極３８ｂの一端部（前端部）および接地電極３８ｃ（センサ部保護管３７ｂ）の先端部（前端部）は、左燃焼部３５ａの後端部に位置するように固定されている。また、放電電極３８ｂの一端が、第一スタック５１ａの後端部の導出口５１ａ３の上方に位置する。
【００５０】
上述したように、他の導出口５１ａ３，５１ｂ３に比べて第一スタック５１ａの後端部の導出口５１ａ３からのアノードオフガスの流量が少なくなっているため、左燃焼部３５ａの後端部は、第一燃焼部３５のうちアノードオフガスが導出される流量が少ない。すなわち、着火装置３８は、複数の導出口５１ａ３，５１ｂ３のうち、アノードオフガスの導出量が少ない導出口５１ａ３から導出されるアノードオフガスを点火する。第一燃焼部３５のうち、アノードオフガスの導出量が少ない導出口５１ａ３，５１ｂ３の上方の部位は、第一燃焼部３５の吹き消えが比較的発生しやすい。よって、着火装置３８は、第一燃焼部３５の吹き消えが比較的発生しやすい部位において、放電を行う。
【００５１】
本第二実施形態によれば、着火装置３８は、複数の導出口５１ａ３，５１ｂ３のうち、可燃性ガス（アノードオフガス）の導出量が少ない導出口５１ａ３から導出される可燃性ガスを点火する。
これによれば、上述したように、着火装置３８は、第一燃焼部３５の吹き消えが比較的発生しやすい部位において、放電を行うことができる。よって、第一燃焼部３５の吹き消えが比較的発生しやすい部位である可燃性ガスの導出量が少ない導出口５１ａ３と改質部ケーシング４２との間において第一燃焼部３５の一部が吹き消えた場合においても、可燃性ガスの再点火を比較的簡便に行うことができる。
【００５２】
なお、上述した各実施形態において、燃料電池システム１の一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば上述した各実施形態において、接地電極３８ｃは、センサ部保護管３７ｂにて構成されているが、これに代えて、接地電極３８ｃを、蒸発部ケーシング４１および改質部ケーシング４２の一方にて構成するようにしても良い。この場合、蒸発部ケーシング４１および改質部ケーシング４２の一方を接地するとともに、図１０に示すように、蒸発部ケーシング４１および改質部ケーシング４２の一方に向けて、放電電極３８ｂの一端部を折り曲げる。これにより、蒸発部ケーシング４１および改質部ケーシング４２の一方と放電電極３８ｂとの間で放電が行われる。このように、本変形例の場合、蒸発部ケーシング４１および改質部ケーシング４２の一方が、本発明の第一燃焼部３５に設置可能な部材に相当する。
【００５３】
また、接地電極３８ｃをハウジング３１にて構成するようにしても良い。例えば、接地電極３８ｃを図２に示す空気供給管３１ａにて構成する。さらに、空気供給管３１ａをハウジング３１と別体に形成して、接地電極３８ｃを構成するようにしても良い。また、改質ガス供給管５４を放電電極３８ｂとするようにしても良い。この場合、空気供給管３１ａまたは改質ガス供給管５４が、本発明の第一燃焼部３５に設置可能な部材に相当する。
【００５４】
また、蒸発部ケーシング４１、改質部ケーシング４２、空気供給管３１ａまたは改質ガス供給管５４を接地電極３８ｃとした場合、接地電極３８ｃと放電電極３８ｂとを同じ部材に固定するようにしても良い。例えば、ハウジング３１の前側壁が、ハウジング３１の蓋部材として形成されている場合、接地電極３８ｃと放電電極３８ｂとを蓋部材に固定しても良い。この場合、電極間の距離の精度を向上させることができる。
【００５５】
また、接地電極３８ｃを、上述した各実施形態におけるセンサ部保護管３７ｂに代えて、図１１に示す着火装置１３８の接地電極１３８ｃのように、導電性を有する棒材によって形成するようにしても良い。着火装置１３８の電極支持部材１３８ａは、長手方向に沿って互いに平行に貫通する二つの貫通穴１３８ａ１，１３８ａ２が形成されている。放電電極１３８ｂが貫通穴１３８ａ１に貫通し、接地電極１３８ｃが貫通穴１３８ａ２に貫通する。放電電極１３８ｂおよび接地電極１３８ｃは、貫通穴１３８ａ１，１３８ａ２内側に充填された例えばシリコン系やエポキシ系の封止材１３８ｄによって気密に固定されている。また、接地電極１３８ｃは、導電性を有する合金鋼によって棒状に形成されている。合金鋼は、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の高温用耐熱電熱合金（商品名：ＹＳＳ−エスイット）である。また、着火装置１３８は、第一燃焼部温度センサ３７を固定するフランジ部材３７ｃとは、別のフランジ部材（図示なし）にてハウジング３１に固定するようにしても良い。なお、この場合、着火装置１３８と第一燃焼部温度センサ３７とは、互いに並列に配設しなくても良い。
【００５６】
また、上述した各実施形態において、第一燃焼部温度センサ３７は、センサ部保護管３７ｂを備えているが、これに代えて、第一燃焼部温度センサ３７が、センサ部保護管３７ｂを備えないようにしても良い。この場合、接地電極３８ｃは、シース３７ａ１にて構成する。すなわち、この場合、シース３７ａ１が本発明の第三ケーシングに相当する。また、この場合、フランジ部材３７ｃの貫通穴３７ｃ１には、シース３７ａ１が固定される。
【００５７】
また、上述した第二実施形態において、第一燃焼部３５の吹き消えが発生し易い部位を可燃性ガス（アノードオフガス）の導出量が少ない部位としているが、これに代えて、アノードオフガスの流速が大きい部位としても良い。この場合、着火装置３８は、アノードオフガスの流速が大きい導出口から導出されるアノードオフガスを点火する。
【００５８】
また、上述した各実施形態において、導出口５１ａ３，５１ｂ３は、燃料電池５１の燃料流路の上端に形成されているが、これに代えて、導出口５１ａ３，５１ｂ３を、燃料電池５１と別体に形成するようにしても良い。この場合、燃料電池システム１は、一端が燃料流路５１ａ２，５１ｂ２の上端と接続し、他端が導出口５１ａ３，５１ｂ３を形成する可燃性ガス流通管（図示なし）をさらに有するようにしても良い。この場合、導出口５１ａ３，５１ｂ３を燃料電池５１の上端以外の部位に形成できるため、第一燃焼部３５の位置、ひいては、蒸発部３２および改質部３３の形状や配設位置の自由度が向上する。
【００５９】
また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、ケーシング４０の形状、蒸発部ケーシング４１および改質部ケーシング４２と燃料電池５１（スタック５１ａ，５１ｂ）との位置関係、蒸発部３２および改質部３３の配設位置、改質ガス供給管５４の配置位置、着火装置３８および第一燃焼部温度センサ３７の配設位置や個数等を変更しても良い。
【符号の説明】
【００６０】
１…燃料電池システム、１１（３０）…燃料電池モジュール、１５…制御装置、３２…蒸発部、３３…改質部、３４（５０）…燃料電池装置、３５…第一燃焼部（燃焼部）、３６…火炎、３７…第一燃焼部温度センサ（温度センサ）、３７ａ３…温度検出部、３７ｂ…センサ部保護管（第三ケーシング）、３７ｃ…フランジ部材（支持部材）、３８…着火装置、３８ｂ…放電電極、３８ｃ…接地電極、４０…ケーシング、４１…蒸発部ケーシング（第一ケーシング）、４２…改質部ケーシング（第二ケーシング）、５１…燃料電池、５１ａ２，５１ｂ２…燃料流路、５１ａ３，５１ｂ３…導出口、５２…マニホールド、５４…改質ガス供給管、Ｐｗ…電源装置（電源）。
【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】
0006597100.tif 000008
【図８】
0006597100.tif 000009
【図９】
0006597100.tif 000010
【図１０】
0006597100.tif 000011
【図１１】
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