(57)【要約】      （修正有）【課題】外部から燃料電池に供給する熱および燃料電池から発生する熱およびオフガスの燃焼熱を有効に利用し、燃料電池の運転や温度制御における省エネルギー化を実現するシステム及び運転方法の提供。【解決手段】改質熱交換器２への燃焼室４からの排気ガスの排出通路Ｌ１に並列に排出通路Ｌ２を設け、燃焼室４からの排気ガスを空気予熱器６へ導く。排出通路Ｌ１，Ｌ２をバイパスする排出通路Ｌ３を設け、排出通路Ｌ２，Ｌ３にバルブＶ２，Ｖ３を設ける。コントローラ９は、起動モード時、還元燃焼バーナＢ１をオンとし、還元燃焼ガスを発電室１へ供給すると共に、バルブＶ２をオンとし、燃焼室４からの排気によって空気予熱部６からの空気を暖める。定常モード時、主としてバルブＶ２の開度を制御し、発電室温度Ｔ１を定常発電温度に保つ。停止モード時、バルブＶ２をオフ、バルブＶ３をオンとし、排出通路Ｌ１を流れる排気の流量を少なくする。【選択図】図１
2008277280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質し前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して前記発電部への酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部と、
前記燃料改質部および前記酸化剤ガス予熱部へ供給する前記燃焼部からの排気ガスの熱量を制御する制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質し前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して前記発電部への酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部と、
前記燃焼部からの排気ガスを前記燃料改質部へ導く第１の通路と、
前記燃焼部からの排気ガスを前記酸化剤ガス予熱部へ導く第２の通路と、
前記第１の通路および前記第２の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部と、
前記燃料改質部および前記酸化剤ガス予熱部へ供給する前記燃焼部からの排気ガスの熱量を前記熱量調節部を通過する前記燃焼部からの排気ガスの熱量を調節することによって制御する制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載された燃料電池システムにおいて、
少なくとも前記酸化剤ガス予熱部を含む前記第２の通路をバイパスする第３の通路と、
この第３の通路に設けられた熱量調節部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２又は３に記載された燃料電池システムにおいて、
前記熱量調節部は前記第２の通路に設けられ、
前記第２の通路は、前記第１の通路よりも圧力損失が小さい
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３に記載された燃料電池システムにおいて、
前記第３の通路は、前記第１の通路および前記第２の通路よりも圧力損失が小さい
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質し前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、前記燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して前記発電部への酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部と、前記燃焼部からの排気ガスを前記燃料改質部へ導く第１の通路と、前記燃焼部からの排気ガスを前記酸化剤ガス予熱部へ導く第２の通路と、前記第１の通路および前記第２の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記熱量調節部を調整することにより、前記燃焼部からの排気ガスを前記第２の通路を通して前記酸化剤ガス予熱部に導いて、当該酸化剤ガス予熱部での酸化剤ガスの予熱を開始するステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質し前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、前記燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して前記発電部への酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部と、前記燃焼部からの排気ガスを前記燃料改質部へ導く第１の通路と、前記燃焼部からの排気ガスを前記酸化剤ガス予熱部へ導く第２の通路と、前記第１の通路および前記第２の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部と、少なくとも前記第２の通路をバイパスする第３の通路と、この第３の通路に設けられた熱量調節部とを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料改質部への燃料の供給を停止すると共に、前記第３の通路に設けられた熱量調節部を調整することにより、前記燃焼部からの排気ガスの前記第３の通路を通しての排出を開始するステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項８】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質し前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、前記燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して前記発電部への酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部と、前記燃焼部からの排気ガスを前記燃料改質部へ導く第１の通路と、前記燃焼部からの排気ガスを前記酸化剤ガス予熱部へ導く第２の通路と、前記第１の通路および前記第２の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部とを備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記熱量調節部を調整することにより、前記発電部の温度が予め定められている定常発電温度を保つように、前記燃料改質部および前記酸化剤ガス予熱部へ供給する前記燃焼部からの排気ガスの熱量を制御するステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質し前記発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、前記燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して前記発電部への酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部と、前記燃焼部からの排気ガスを前記燃料改質部へ導く第１の通路と、前記燃焼部からの排気ガスを前記酸化剤ガス予熱部へ導く第２の通路と、前記第１の通路および前記第２の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部と、少なくとも前記第２の通路をバイパスする第３の通路と、この第３の通路に設けられた熱量調節部とを備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記熱量調節部を調整することにより、前記燃料改質部の温度が予め定められている上限温度以下となるように、前記燃料改質部へ供給する前記燃焼部からの排気ガスの熱量を制御するステップ
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体酸化物形燃料電池などの高温で動作する燃料電池を用いた燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池は、有害物質を発生しないクリーンな発電システムとして注目を集めている。その中でも、固体酸化物形燃料電池は、高分子電解質形燃料電池と比べ、高温動作することから、発電と高温エネルギー活用の両面からエネルギー効率が良いものである。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと呼ぶ）は、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を両側から空気極層と燃料極層とで挟み込んだ単セルと呼ばれる積層構造を有し、空気極層側に酸化剤ガス（酸素）が供給され、燃料極層側に燃料ガス（Ｈ2 、ＣＯ、ＣＨ4 等）が供給される。
【０００４】
空気極層側に供給された酸化剤ガスは、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との境界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。
【０００５】
燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。この単セルを多数積層した構造をスタックと呼んでおり、セル単位あるいはスタック単位で燃料ガスの供給を行い、負荷への電力を生成（発電）する。
【０００６】
ＳＯＦＣの定常発電温度は例えば９５０℃とされる。ＳＯＦＣを起動する際には、常温状態のＳＯＦＣを定常発電温度まで上昇させる必要がある。このために、還元燃焼バーナを設け、この還元燃焼バーナからの還元燃焼ガスをＳＯＦＣの燃料極層へ供給する一方、酸化剤ガスの供給ラインに電気ヒータを設け、加熱して高温とした酸化剤ガスをＳＯＦＣの空気極層へ供給するなどの方法が採られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
燃料ガスには、水素ガスを用いることが最も好適であるが、天然ガス、プロパンガスなどの炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質し、燃料極層に導入することが多い。また、酸化剤ガスとしては、酸素ガスを用いることが最も好適であるが、入手性の問題などから一般的には空気が用いられる。
【０００８】
図８に従来のＳＯＦＣを用いた燃料電池システムの概略を示す。この燃料電池システムは、発電部本体であるモジュール１００と、このモジュール１００に燃料ガスや酸化剤ガスなどを供給する周辺システムとからなる。
【０００９】
モジュール１００は、燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）が供給されて発電するＳＯＦＣ（以下、発電素子と呼ぶ）が設置される発電室１、発電室１より排出されるオフガス（発電に使用されなかった燃料ガス＋空気）を燃焼させる燃焼室４、空気を発電室１に送るとともに発電反応熱とオフガスの燃焼熱を利用して空気を暖める空気分配器５、および発電反応熱とオフガスの燃焼熱を利用して燃料（都市ガス）を水素リッチな燃料ガス（改質ガス）に改質する改質熱交換器２とを含む。
【００１０】
周辺システムは、燃料，空気，純水などの供給部（図示せず）などに加えて、還元燃焼バーナＢ１や酸化剤ガスとして供給される空気を予熱する空気予熱器３などの熱供給源を含む。なお、還元燃焼バーナＢ１や空気予熱器３などの熱供給源はモジュール１００に内蔵されることもある。
【００１１】
改質熱交換器２は、蒸発器２−１と燃料予熱器２−２と改質器２−３とを備えており、蒸発器２−１は純水を蒸気として燃料予熱器２−２への燃料に含ませる。蒸気が含まれた燃料は、燃料予熱器２−２において予熱され、改質器２−３に導かれて、水素リッチな燃料ガスに改質される。この蒸気を用いた改質は、水蒸気改質と呼ばれ、水素発生効率がよいので、用いられることが多い。改質熱交換器２が改質動作を行える温度は、水蒸気改質の場合、一般に４００℃程度以上である。発電室１における発電素子は６００℃〜１０００℃の高温で発電動作を行うことができる。
【００１２】
改質熱交換器２では、蒸発器２−１での蒸気の生成、燃料予熱器２−２での燃料の予熱、改質器２−３での燃料の改質に熱量が必要であり、この熱量の供給を受けるための通路として燃焼室４からの燃焼ガス（以下、この燃焼ガスも含めて燃焼室４からの排気ガスと呼ぶ）の排出通路Ｌ１が設けられている。
【００１３】
この燃料電池システムにおいて、運転モードは、起動モード，定常モード，停止モードの３つのモードに分けられる。起動モード開始時には、システムが常温であるため、発電室１の発電素子が発電可能な温度まで、また改質熱交換器２の改質動作が可能な温度まで、システムを暖める必要がある。定常モードにおいては、発電素子の耐熱温度を超えた温度で長時間運転すると発電素子が破損するため、発電室１を耐熱温度より低い温度に保つ必要がある。また、発電効率が高くなる発電室温度範囲も存在するため、運転中は発電室１の温度制御を実施する必要がある。停止モードにおいては、発電室１などの高温部を冷却しながら、システムを安全に停止させる必要がある。
【００１４】
〔起動モード〕
燃料電池システムは、運転の開始が指示されると、起動モードに入る。起動モードの開始時には、改質熱交換器２への燃料の代わりにパージガスを供給した状態で、空気予熱器３をオンとし、空気予熱器３によって予熱された高温の空気を空気分配器５を介して発電室１に供給する。また、還元燃焼バーナＢ１をオンとし、還元燃焼バーナＢ１からの還元燃焼ガスを発電室１に供給する。この還元燃焼バーナＢ１からの還元燃焼ガスおよび空気予熱器３からの予熱された空気の供給を受けて発電室１の温度が上昇して行く。
【００１５】
発電室１の温度上昇に貢献した還元燃焼ガスおよび予熱された空気は、パージガスも含めて、燃焼室４および空気分配器５周辺を通り、排出通路Ｌ１を通って、排ガスとして排出される。ここで、改質熱交換器２の蒸発器２−１，燃料予熱器２−２，改質器２−３は、排出通路Ｌ１を通るガス（燃焼室４からの排気ガス（還元燃焼ガス＋空気＋パージガス））からの熱量の供給を受ける。
【００１６】
この熱量の供給を受けて、改質器２−３の温度が例えば５００℃に達すると、それまでのパージガスに代えて改質熱交換器２への燃料の供給が開始され、蒸発器２−１からの蒸気を含んだ燃料が燃料予熱器２−２を介して改質器２−３に導かれ、水素リッチな燃料ガスに改質され、発電室１に供給される。
【００１７】
この燃料ガスの供給を受けて、発電室１での発電が開始されると共に、発電室１から排出される燃料と空気のオフガスが燃焼室４内で混合して燃焼させられ、この燃焼室４からの排気ガス（燃焼ガス）が空気分配器５周辺を通り、排出通路Ｌ１を通って、モジュール外に排出される（以下、モジュール外に排出されるガスを排ガスという）。
【００１８】
これにより、空気予熱器３での空気の予熱によらずとも、また還元燃焼バーナＢ２からの還元燃焼ガスの供給によらずとも、燃焼室４からの排気ガス（燃焼ガス）の熱量の供給を受けて、改質熱交換器２での燃料ガスの改質を継続することができる。通常は、この時点で、空気予熱器３および還元燃焼バーナＢ１をオフとする。
【００１９】
〔定常モード〕
発電室１の温度が上昇して行き、定常発電温度に達すると、定常モードへ移行する。この定常モードでは、空気予熱器３をオン／オフしたり、空気予熱器３を介して発電室１へ供給する空気の流量を増減させたりして、発電室１の温度を定常発電温度に保つ。
【００２０】
〔停止モード〕
システムを停止させる場合、空気予熱器３をオフとすると共に、改質熱交換器２への燃料に代えてパージガスを導入し、発電室１における発電および燃焼室４における燃焼という発熱反応を停止させ、空気予熱器３を介して導入される空気とパージガスとによって発電室１の冷却を行う。
【００２１】
【特許文献１】特開２００３−１０９６４１号公報
【特許文献２】特開２００４−０８７３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムによると、起動モード時、発電室１の温度上昇に貢献した還元燃焼ガスおよび予熱された空気の全量（パージガスも含む）が、燃焼室４および空気分配器５周辺を通り、排出通路Ｌ１を通って、排ガスとして排出され、起動初期には熱を必要としない改質熱交換器２を無駄に暖めてしまうことになる。しかも、改質熱交換器２を通過した燃焼室４からの高温の排気ガスは排気されてしまうだけであり、熱を無駄に捨ててしまうことにもつながる。
【００２３】
なお、上述した従来の燃料電池システムでは、起動モード時、改質熱交換器２を通過するパージガスが燃焼室４からの排気ガスと熱交換して暖められ、発電室１に供給される。これにより、燃焼室４からの排気ガスに含まれる熱の一部が発電室１に戻され、発電室１の温度上昇に貢献する。しかし、改質熱交換器２は発電に使用される燃料（都市ガス）の流量に合わせたサイズで設計されており、流せるパージガスの流量が空気供給可能量の１／１０程度と少ないため、交換できる熱量も限定的であり、起動中の燃焼室４からの排気ガスに含まれる多くの熱が未使用のまま排気されてしまうことになる。したがって、パージガスを用いて発電室１へ熱を循環させる方法はエネルギー的に無駄が多い。
【００２４】
パージガスの供給源の圧力を上げることによりパージガスの流量を増大させることは可能である。しかし、パージガスの供給源の圧力を上げるためにエネルギーを使用してしまうことになり、また、供給したパージガスは排気されるだけであるため、パージガスの流量を多くすることはパージガス製造に係わるエネルギーを無駄に捨てることになる。したがって、パージガスの供給量を無理に増やすことも、結果的に起動のために供給したエネルギーを十分に活用できていないといえる。
【００２５】
また、上述した従来の燃料電池システムによると、定常モード時、空気予熱器３をオン／オフしたり、空気予熱器３を介して発電室１へ供給する空気の流量を増減させたりして、発電室１の温度を定常発電温度に保つようにしている。この方法では、発電室１へ供給する空気の流量を増減させる場合、空気流量を制御する機器、例えばブロワの出力を上下させることにより発電室温度の制御を行うため、特にブロワ出力を高くする場合には無駄な電力を必要としていた。また、空気供給量の最低値は発電量により決まるため、発電室温度を高くしたい場合でも発電量に見合う空気の範囲内という制限が存在していた。また、この方法では、空気予熱器３をオン／オフする場合、空気予熱器３が電気ヒータであるため、定常モードでの使用電力量が増大する。
【００２６】
また、上述した従来の燃料電池システムによると、停止モード時、空気とパージガスとによって発電室１の冷却を行うが、発電中のモジュール温度は低いものでも６００℃以上であり、高いものでは９００〜１０００℃であり、そのため、冷却に長い時間がかかり、パージガスや空気供給に比較的大きなエネルギーを使用していた。
【００２７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、外部から燃料電池に供給する熱および燃料電池から発生する熱およびオフガスの燃焼熱を有効に利用し、燃料電池の運転や温度制御における省エネルギー化を実現することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
このような目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池を用いた発電部と、この発電部より排出されるガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質し発電部への燃料ガスとする燃料改質部とを備えた燃料電池システムにおいて、燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して発電部への酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部と、燃料改質部および酸化剤ガス予熱部へ供給する燃焼部からの排気ガスの熱量を制御する制御部とを設けたものである。この発明によれば、燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して、燃料改質部での燃料の改質と酸化剤ガス予熱部での酸化剤ガスの予熱が行われる。
【００２９】
この場合、起動モード時に、還元燃焼バーナからの還元燃焼ガスと酸化剤ガス予熱部からの酸化剤ガスとによって発電部を暖める構成とすると、発電部より排出されるガス（還元燃焼ガス＋酸化剤ガス＋パージガス）が燃焼部からの排気ガスとして酸化剤ガス予熱部へ送られ、その排気ガスに含まれる熱が酸化剤ガスの予熱に使用される。これにより、還元燃焼バーナの排熱が利用され、起動時の省エネルギー化を実現することができる。
【００３０】
また、定常モード時、燃料改質部および酸化剤ガス予熱部へ供給する燃焼部からの排気ガス（燃焼ガス）の熱量を制御するようにすれば、酸化剤ガスの供給量を一定として燃焼部からの排気ガス（燃焼ガス）の分配のみで、また、電気ヒータのオン／オフではなく、燃焼部からの排気ガス（燃焼ガス）の分配量を調整して、定常モードでの発電部の温度調整を行うことが可能となる。これにより、燃焼部からの燃焼ガスの熱（排熱）が利用され、定常モードでの省エネルギー化を実現することができる。
【００３１】
本発明の燃料電池システムの一例として、燃焼部からの排気ガスを燃料改質部へ導く第１の通路と、燃焼部からの排気ガスを酸化剤ガス予熱部へ導く第２の通路と、第１の通路および第２の通路の少なくとも一方に設けられた熱量調節部と、燃料改質部および酸化剤ガス予熱部へ供給する燃焼部からの排気ガスの熱量を熱量調節部を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量を調節することによって制御する制御部とを設ける構成が考えられる。
【００３２】
この場合、熱量調節部は、第１の通路と第２の通路の両方に設けてもよいし、第１の通路と第２の通路の何れか一方にのみ設けるようにしてもよい。一方にのみ熱量調節部を設けるようにした場合、その熱量調節部を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量を調節することにより、相関を利用して、残る一方の通路を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量を調節することが可能である。なお、熱量調節部としては、バルブなどのガス流量調節機構を用いるとよい。
【００３３】
また、本発明の燃料電池システムの別の例として、少なくとも酸化剤ガス予熱部を含む第２の通路をバイパスする第３の通路を設け、この第３の通路に熱量調節部を設けることも考えられる。この場合、第２の通路のみをバイパスする通路としてもよいし、第１の通路と第２の通路の両方をバイパスする通路としてもよい。
【００３４】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、第２の通路に熱量調節部を設ける場合には、第２の通路は第１の通路よりも圧力損失を小さくするとよい。また、本発明の燃料電池システムにおいて、第３の通路を設ける場合、第３の通路についても、第１の通路および第２の通路よりも圧力損失を小さくするとよい。
【００３５】
また、本発明では、第１の通路および第２の通路の少なくとも一方に熱量調節部を設けるようにすると、この熱量調節部を調整することにより、燃焼部からの排気ガスを第２の通路を通して酸化剤ガス予熱部に導いて、当該酸化剤ガス予熱部での酸化剤ガスの予熱を開始することが可能となる。
【００３６】
また、本発明では、少なくとも酸化剤ガス予熱部を含む第２の通路をバイパスする第３の通路を設け、この第３の通路に燃料調節部を設けるようにした場合、燃料改質部への燃料の供給を停止すると共に、第３の通路に設けられた熱量調節部を調整することにより、燃焼部からの排気ガスの第３の通路を通しての排出を開始させるようにすることも可能である。
これにより、発電を停止する場合、燃焼部からの排気ガスを第３の通路を通して排出することができるようになる。よって、酸化剤ガス予熱部を通過する排気ガス流量を減ずることにより、酸化剤ガスによる冷却効果を高めることができ、発電部の温度の降下速度を上昇させることができる。また、燃料改質部に送られる燃焼部からの排気ガスの量が少なくなり、パージガスによる冷却効果を高めることが可能となる。これにより、発電部の温度の降下速度をさらに上昇させることができ、停止時間を短縮することが可能となり、停止モードでの省エネルギー化を実現することができる。
【００３７】
また、本発明では、定常モードにおいて、発電部の温度が予め定められた定常発電温度を保つように、酸化剤ガス予熱部へ供給する燃焼部からの排気ガス（燃焼ガス）の熱量を制御することも可能である。
例えば、燃焼部からの排気ガスを燃料改質部へ導く第１の通路と、燃焼部からの排気ガスを酸化剤ガス予熱部へ導く第２の通路とを備えた燃料電池システムの場合、第１の通路および第２の通路を通過する燃焼部からの排気ガス（燃焼ガス）の熱量を調節することによって、燃料改質部および酸化剤ガス予熱部へ供給される燃焼部からの排気ガス（燃焼ガス）の熱量を制御し、発電部の温度を定常発電温度に保たれるようにする。
また、燃焼部からの排気ガスを燃料改質部へ導く第１の通路と、燃焼部からの排気ガスを酸化剤ガス予熱部へ導く第２の通路と、少なくとも第２の通路をバイパスする第３の通路とを備えた燃料電池システムの場合、第１の通路、第２の通路、第３の通路を通過する燃焼部からの排気ガス（燃焼ガス）の熱量を調節することによって、燃料改質部および酸化剤ガス予熱部へ供給される燃焼部からの排気ガス（燃焼ガス）の熱量を制御し、発電部の温度を定常発電温度に保たれるようにする。
【００３８】
また、本発明において、燃料改質部の温度が予め定められている上限温度以下となるように、燃料改質部へ供給する燃焼部からの排気ガスの熱量を制御するようにしてもよい。例えば、燃焼部からの排気ガスを燃料改質部へ導く第１の通路と、燃焼部からの排気ガスを酸化剤ガス予熱部へ導く第２の通路と、少なくとも第２の通路をバイパスする第３の通路とを備えた燃料電池システムの場合、燃料改質部の温度が予め定められている上限温度を超えた場合、上限温度以下となるように、第３の通路を通過する燃焼部からの排気ガスの熱量を調整するようにする。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して燃料を改質し発電部への燃料ガスとする燃料改質部と、燃焼部からの排気ガスの熱量を利用して発電部への酸化剤ガスを予熱する酸化剤ガス予熱部とを設け、燃料改質部および酸化剤ガス予熱部へ供給する燃焼部からの燃焼ガスの熱量を制御するようにしたので、起動モード時、還元燃焼バーナの排熱を利用して酸化剤ガスの予熱を行うことが可能となり、また、定常モード時、酸化剤ガスの供給量を一定として燃焼部からの排気ガス（燃焼ガス）の分配のみで、また、電気ヒータのオン／オフではなく、燃焼部からの排気ガス（燃焼ガス）の分配量を調整して、定常モードでの発電部の温度調整を行うことが可能となり、 外部から燃料電池に供給する熱および燃料電池から発生する熱およびオフガスの燃焼熱を有効に利用し、燃料電池の運転や温度制御における省エネルギー化を実現することができる。
【００４０】
また、本発明によれば、少なくとも酸化剤ガス予熱部を含む第２の通路をバイパスする第３の通路を設け、この第３の通路に燃料調節部を設けるようにすることにより、発電を停止する場合、燃焼部からの排気ガスを第３の通路を通して排出することができるようになり、酸化剤ガス予熱部を通過する排気ガス流量を減ずることによって酸化剤ガスによる冷却効果を高め、また燃料改質部に送られる燃焼部からの排気ガスの量を少なくし、パージガスによる冷却効果を高めるようにして、停止モードでの省エネルギー化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係る燃料電池システムの一実施の形態の概略を示すシステム構成図である。同図において、図８と同一符号は図８を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。
【００４２】
この実施の形態では、改質熱交換器２への燃焼室４からの排気ガスの排出通路Ｌ１を第１の排出通路とし、この第１の排出通路Ｌ１に並列に第２の排出通路Ｌ２を設け、この第２の排出通路Ｌ２を通して燃焼室４からの排気ガスを空気予熱部６へ導くようにしている。すなわち、従来は電気ヒータとしていた空気予熱部３（図８）に代えて、排出通路Ｌ２を通る燃焼室４からの排気ガスの熱量をエネルギー源とする空気予熱部６を設け、この空気予熱部６によって発電室１への酸化剤ガス（空気）の予熱を行うようにしている。
【００４３】
また、改質熱交換器２への第１の排出通路Ｌ１と空気予熱部６への第２の排出通路Ｌ２に対し、この排出通路Ｌ１およびＬ２をバイパスする燃焼室４からの排気ガスの排出通路（第３の排出通路）Ｌ３を設け、第２の排出通路Ｌ２にバルブＶ２を、第３の排出通路Ｌ３にバルブＶ３を設けている。
【００４４】
なお、この実施の形態では、排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の入口側の合流点Ｐ１を流入口（燃焼室４からの排気ガスの流入口）とも呼び、排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の出口側の合流点Ｐ２を排出口（燃焼室４からの排気ガスの排出口）とも呼ぶ。排出口Ｐ２より排出されるガスは、タービンシステムや蒸気発生器などの排熱利用機器に送られ、有効利用することもできる。
【００４５】
改質熱交換器２に対しては、この改質熱交換器２への燃料の供給通路Ｌ５と、起動モードや停止モードに使用されるパージガスの供給通路Ｌ７とが設けられ、燃料の供給通路Ｌ５にはバルブＶ４が、パージガスの供給通路Ｌ７にはバルブＶ６が設けられている。また、発電室１への加熱ガス供給手段として、還元燃焼バーナＢ１が設けられている。還元燃焼バーナＢ１への燃料の供給通路Ｌ４にはバルブＶ１が設けられている。
【００４６】
また、空気予熱部６への酸化剤ガスの供給通路Ｌ６にはバルブＶ５が設けられ、発電室１に対してはその発電室１内の温度を発電室温度Ｔ１として検出する温度センサ７が設けられ、改質熱交換器２に対してはその改質器２−３内の温度を改質器温度Ｔ２として検出する温度センサ８が設けられている。
【００４７】
また、この燃料電池システムには、温度センサ７からの発電室温度Ｔ１および温度センサ８からの改質器温度Ｔ２を入力とし、バルブＶ１〜Ｖ６や還元燃焼バーナＢ１の動作を制御する制御装置としてコントローラ９が設けられている。コントローラ９は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して制御装置としての各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。
【００４８】
また、この燃料電池システムにおいて、発電部本体であるモジュール１０１は、発電室１、改質熱交換器２、燃焼室４、空気分配器５に加え、空気予熱部６を含むものとされている。また、発電室１に対しては、この発電室１の発電素子からの電流の供給を受ける負荷１０が接続されている。
【００４９】
また、この燃料電池システムにおいて、第１の排出通路Ｌ１の圧力損失と第２の排出通路Ｌ２の圧力損失（バルブＶ２が全開の場合の圧力損失）の関係は、第１の排出通路Ｌ１の圧力損失＞第２の排出通路Ｌ２の圧力損失となるものとされている。この圧力損失の差は、できる限り大きくすることが好ましいが、第１の排出通路Ｌ１には改質熱交換器２を十分に暖められる量の燃焼室４からの排気ガスを流せるように設計する必要がある。したがって、モジュール設計においては、第１の排出通路Ｌ１を細くすることにより圧力損失を調整するのではなく、第２の排出通路Ｌ２を広げる方針で各流路を設計した方がよい。このような圧力損失の差を持つことで、この燃料電池システムの起動初期には、より多くの高温の排気ガスを空気予熱部６に流せるようになる。
【００５０】
また、この燃料電池システムにおいて、第３の排出通路Ｌ３の圧力損失（バルブＶ３が全開の場合の圧力損失）は、第２の排出通路Ｌ２の圧力損失（バルブＶ２が全開の場合の圧力損失）未満とされている。このような構成とすることにより、バルブＶ３が全開の場合には、第１の排出通路Ｌ１および第２の排出通路Ｌ２に高温の排気ガスが流れにくくなる。
【００５１】
なお、この実施の形態では、発電室１が本発明で言う発電部に対応し、改質熱交換器２が燃料改質部に対応し、燃焼室４が燃焼部に対応し、空気予熱部６が酸化剤ガス予熱部に対応し、コントローラ９が制御部に対応し、バルブＶ２，Ｖ３が熱量調節部に対応する。
【００５２】
以下、図２に示すタイムチャートを参照して、コントローラ９が実行する本実施の形態特有の制御動作について説明する。なお、この制御動作に入る運転開始前の状態として、バルブＶ１〜Ｖ６は全てオフ（全閉）とされているものとする。また、還元燃焼バーナＢ１はその燃焼動作がオフ（消火）とされているものとする。
【００５３】
〔起動モード〕
コントローラ９は、運転の開始が指示されると、この時点を起動モードの開始時とし、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ５，Ｖ６をオン（全開）とし、還元燃焼バーナＢ１の燃焼動作をオン（着火）とする（図２に示すｔ１点）。これにより、図３に示すように、還元燃焼バーナＢ１への燃料の供給が開始される。また、空気予熱部６への酸化剤ガス（空気）の供給が開始される。また、改質熱交換器２へのパージガスの供給が開始される。
【００５４】
還元燃焼バーナＢ１は、燃料の供給を受けて高温の還元燃焼ガスを生成し、その生成した還元燃焼ガスを発電室１内の燃料極に送る。還元燃焼バーナＢ１により還元燃焼ガスを供給する理由は、発電室１の燃料極を高温酸化雰囲気にすると、発電素子が劣化するためである。
【００５５】
空気予熱部６に流入した空気は、空気分配器５を通して、発電室１内の空気極へ送られる。還元燃焼ガスと同時に空気を供給する理由は、発電室１の空気極が高温還元雰囲気になると、発電素子が劣化する可能性があるためである。
【００５６】
改質熱交換器２へ流入したパージガスは、改質熱交換器２を通って、発電室１の燃料極へ送られる。起動の際に、パージガスを供給する理由は、改質触媒の酸化を防ぐためである。なおパージガスとして、例えば窒素に３％以下の水素を混ぜた弱還元性のガスが使用される。
【００５７】
発電室１に供給された還元燃焼ガスは、発電室１を暖めながら、燃焼室４へ到達し、発電室１から排出される空気と混合される。この場合、正確には、還元燃焼ガスにはパージガスも含まれ、このパージガスを含む還元燃焼ガスと空気とが燃焼室４で混合される。そして、この混合ガスが燃焼室４からの排気ガスとして、流入口Ｐ１に至り、第１の排出通路Ｌ１と第２の排出通路Ｌ２との圧力損失差に応じて、第１の排出通路Ｌ１と第２の排出通路Ｌ２とに分配される。
【００５８】
ここで、バルブＶ２は全開であるため、第２の排出通路Ｌ２の圧力損失が小さい状態になっており、燃焼室４からの排気ガスは第２の排出通路Ｌ２に多く流れ込むことになる。この排出通路Ｌ２を流れる燃焼室４からの排気ガスの熱量の供給を受けて、空気予熱部６に流入された空気が暖められ、この暖められた空気が空気分配器５を通して発電室１に送られる。
【００５９】
なお、第１の排出通路Ｌ１に送られた燃焼室４からの排気ガスは、改質熱交換器２を通り、排出通路Ｌ２からの排気ガス（空気予熱部６を通過した排気ガス）と合流し、排ガスとして排出される。改質熱交換器２では、燃焼室４からの排気ガスの熱量の供給を受けて、発電室１へのパージガスが暖められる。
【００６０】
発電室１に送られてくる空気予熱部６で暖められた空気は、発電室１内の発電素子と熱交換を行うため、発電室１の温度上昇に寄与する。モジュール設計上、空気はパージガスに対して流量を大きく取れるように設計されることから、パージガスに比べて空気の方が熱を多く発電室１へ送ることができる。したがって、図８に示した従来の構成では改質熱交換器２と熱交換した後に捨てられていた熱量が、本実施の形態では発電室１の温度上昇に利用でき、起動モードでの省エネルギー化を実現することができる。
【００６１】
なお、この場合、第１の排出通路Ｌ１にも燃焼室４からの排気ガスは流れ込んでおり、改質熱交換器２も暖められている。しかし、与えられる熱量は従来の構成に比べて少ないため、第１の排出通路Ｌ１を通って排出されて捨てられる熱量は従来構成に比べて少なくなる。したがって、発電室温度Ｔ１が上昇しないうちに改質熱交換器２を必要以上に暖めることなく、空気予熱部６へ燃焼室４からの排気ガスを大量に送って、省エネルギー化を実現することができる。
【００６２】
また、改質熱交換器２に与えられた燃焼室４からの排気ガスの熱の一部は、パージガスと熱交換することによって発電室１へ供給されることになる。パージガスは、改質熱交換器低温ガス側流路設計に対して適正な量を流すことができ、熱交換効率を上昇させるために流量を増大させる必要がない。
【００６３】
コントローラ９は、改質器温度Ｔ２が改質動作可能温度（例えば、５００℃）に達すると（図２（ｉ）に示すｔ２点）、この時点を燃料ガスを用いての発電室温度上昇開始時として、バルブＶ１，Ｖ６をオフとし、バルブＶ４をオンとする。また、還元燃焼バーナＢ１をオフとする。
【００６４】
これにより、図４に示すように、還元燃焼バーナＢ１からの発電室１への還元燃焼ガスの供給が断たれる。また、供給通路Ｌ７からの改質熱交換器２へのパージガスの供給が断たれ、供給通路Ｌ５からの改質熱交換器２への燃料（都市ガス）の供給が開始される。
【００６５】
改質熱交換器２は、供給通路Ｌ５からの燃料の供給が開始されると、その燃料に蒸発器２−１からの蒸気を含ませ、燃料予熱器２−２を介して改質器２−３に導き、水素リッチな燃料ガスに改質し、発電室１に供給する。これにより、発電室１から排出される燃料ガスと空気とが燃焼室４内で混合される。ここで、燃焼室４内の温度が燃料の着火温度（４５０℃〜５００℃）を超えれば、燃焼室４内で燃焼が開始される。
【００６６】
燃焼室４内で燃焼が開始されることにより、改質熱交換器２および空気予熱部６に送られる熱量は増加するが、ここでも空気予熱部６に供給する熱量を多くできるため、燃焼室４での燃焼熱を発電室温度Ｔ１の温度上昇に多く利用することができる。したがって、モジュール１０１から排出される熱量が小さくなり、ここでも起動モードでの省エネルギー化を実現することができる。
【００６７】
燃焼室４内で燃焼が開始された場合、システムの起動に必要な熱量はここから供給されるため、バルブＶ１をオフとし、還元燃焼バーナＢ１を停止させても、改質熱交換器２での燃料の改質は継続される。このような理由から、本実施の形態では、還元燃焼バーナＢ１からの発電室１への還元燃焼ガスの供給を停止させているが、起動時間を短縮するために、還元燃焼バーナＢ１からの還元燃焼ガスの発電室１への供給を続けてもよい。
【００６８】
なお、発電室温度Ｔ１が６００℃に達すると、発電が開始できる。発電反応は発熱反応であるため、この実施の形態では、発電室温度Ｔ１が６００℃に達した時点で発電室１の発電素子からの電流を負荷１０に供給するようにして、燃焼室４内での燃焼後、空気予熱部６から供給される熱および改質熱交換器２から供給される熱に発電反応熱を加えて、発電室温度Ｔ１を上昇させるようにする。この発電反応熱の起動モードにおける利用は特許文献２に開示されているので、ここでの詳しい説明は省略する。
【００６９】
〔定常モード〕
コントローラ９は、発電室温度Ｔ１が９５０℃に達すると（図２（ｈ）に示すｔ３点）、この時点を定常モードの開始時（起動モードの終了時）として、発電室温度Ｔ１を９５０℃（定常発電温度）に保つように、バルブＶ２，Ｖ３の開度制御を開始する。
【００７０】
すなわち、図５に示すように、バルブＶ２の開度θ２，バルブＶ３の開度θ３を制御することによって、改質熱交換器２および空気予熱部６へ供給する燃焼室４からの排気ガス（燃焼ガス）の熱量を制御する。
【００７１】
燃料電池の発電反応は発熱反応である。燃料電池は温度が高いほど効率が高くなる傾向にある。しかし、発電素子には耐熱温度が存在するため、発電室１を高温に保ちながら、耐熱温度を超えないようにする必要がある。
【００７２】
本実施の形態において、コントローラ９は、主として、バルブＶ２の開度θ２を制御する。具体的には、発電室温度Ｔ１をモニタし、温度が高くなり過ぎるようであれば、バルブＶ２の開度θ２を狭めることによって、空気予熱部６からの発電室１への空気の温度を下げて、発電室温度Ｔ１を下降させる。また、温度が低くなり過ぎる場合には、バルブＶ２の開度θ２を広げることによって、空気予熱部６からの発電室１への空気の温度を上げて、発電室温度Ｔ１を上昇させる。バルブＶ２の制御方法としてＰＩＤ制御などを用いることができる。
【００７３】
このようにして、コントローラ９は、主として、バルブＶ２の開度θ２の制御を行うことによって、空気予熱部６からの発電室１への空気の温度を制御することで、発電室温度Ｔ１を９５０℃（定常発電温度）に保つようにする。すなわち、このシステムでは、空気予熱部６からの発電室１への空気の供給量を一定として燃焼室４からの排気ガス（燃焼ガス）の分配のみで、また、電気ヒータのオン／オフではなく、燃焼室４からの排気ガス（燃焼ガス）の分配量を調整して、定常モードでの発電室温度Ｔ１の調整が行われる。これにより、燃焼室４からの燃焼ガスの熱（排熱）が利用され、定常モードでの省エネルギー化を実現することができる。
【００７４】
この実施の形態において、発電室温度Ｔ１としては、代表点１点を測定したものに限られない。例えば、発電室温度として複数点を測定している場合、発電素子の耐熱温度範囲で制御するために、モジュール構造として最も温度が上がりやすいポイントを制御点として用いることで、発電素子の破損を防ぐ制御が可能となる。
【００７５】
その他、発電室温度Ｔ１の測定に関しては、複数ポイント測定値の演算結果（例えば、温度変化率が最も高いポイント）などを用いる方法や、代表ポイント以外の複数ポイント測定値に対する温度上昇値の状態量制約を考慮できる制御則（例えば、モデル予測制御）を用いる方法もあり、モジュール構造に合わせて方法を選択すればよい。
【００７６】
また、モジュールの構成として、発電室内を適当な発電単位ごとにユニット化している場合がある。このような場合にもユニットごとに温度を測定し、温度を複数点測定している場合と同様の方法によって、発電室温度Ｔ１を決定すればよい。
【００７７】
なお、モジュール内部の発熱量が大き過ぎる場合には、バルブＶ２を全閉としても、発電室温度Ｔ１を耐熱温度以下に制御できない虞がある。このような場合には、空気予熱部６への空気の流量を多くすることによって、対応することが可能である。
【００７８】
また、モジュールの構造によっては、バルブＶ２の開度が０、あるいは小さい場合に、改質器温度Ｔ２が上昇し過ぎてしまい、改質熱交換器２の耐久温度（例えば、耐熱ステンレス製なら８００℃程度）を超えてしまうことがある。このような場合には、バルブＶ３をオンとすることで、燃焼室４からの排気ガス（燃焼ガス）の一部を第１の排出通路Ｌ１および第２の排出通路Ｌ２をバイパスする第３の排出通路Ｌ３を通して排出することにより、改質熱交換器２の保護を図る。
【００７９】
この改質熱交換器２の保護について、例えば、バルブＶ２を全閉とした状態で、改質器温度Ｔ２がその耐熱温度を超えてしまう場合を例にとって、第３の排出通路Ｌ３の流路上に設置されたバルブＶ３の制御に関して説明する。
【００８０】
この場合、コントローラ９は、バルブＶ２の開度θ２をモニタし、この開度θ２が０となった場合にのみ、改質器温度Ｔ２が予め設定されている改質熱交換器２の上限温度以下となるように、例えばＰＩＤ制御などを用いてバルブＶ３の開度θ３を制御する。
【００８１】
バルブＶ３が開いている時に、発電室温度Ｔ１の下降によりバルブＶ２の開度θ２を制御する必要が生じてきた場合には、バルブＶ３の開度θ３を０となるようにする。すなわち、この場合、バルブＶ２を開くことにより、改質熱交換器２への供給熱量が低減し、改質器温度Ｔ２が下がり、改質熱交換器２の耐久温度範囲内となることが予想されるので、バルブＶ３の開度θ３を０となるようにする。
【００８２】
なお、改質器温度Ｔ２がその耐久温度以上となるバルブＶ２の開度θ２を開度閾値θ２ｘとして予め把握しておき、バルブＶ２の開度θ２が開度閾値θ２ｘとなった場合にバルブＶ２の開度θ２の制御を停止し、バルブＶ３の開度θ３の制御を行うようにすることによって、改質器温度Ｔ２が過度に上昇しないようにし、改質熱交換器２の保護を図るようにしてもよい。
【００８３】
〔停止モード〕
コントローラ９は、運転の終了が指示されると、この時点を定常モードの終了時（停止モードの開始時）とし、負荷の切り離しを行う。次にバルブＶ２，Ｖ４をオフ（全閉）とし、バルブＶ３，Ｖ６をオン（全開）とする（図２に示すｔ４点）。
【００８４】
この場合、図６に示すように、バルブＶ４のオフにより、改質熱交換器２への燃料の供給が停止され、バルブＶ６のオンにより、改質熱交換器２へのパージガスの供給が開始される。これにより、発電室１での発電反応が停止され、燃焼室４でのオフガスの燃焼も停止され、モジュール内に発熱源がなくなり、室温で導入されるパージガスが発電室１に流入する。
【００８５】
また、バルブＶ２のオフにより、燃焼室４からの排出通路Ｌ２への排気ガスの流れが止められ、バルブＶ３のオンにより、排出通路Ｌ１とＬ２とをバイパスする排出通路Ｌ３を通して、燃焼室４からの排気ガスが排出されるようになる。この場合、空気予熱部６では空気の予熱が行われないので、室温に近い大量の空気が冷却剤となり、発電室温度Ｔ１の降下速度を上昇させることができる。
【００８６】
また、バルブＶ３は全開とされ、第１の排出通路Ｌ１の圧力損失よりも第３の排出通路Ｌ３の圧力損失が小さいため、燃焼室４からの排気ガスが第３の排出通路Ｌ３に多く流れ込むことになり、改質熱交換器２に送られる燃焼室４からの排気ガスの量が少なくなる。これにより、パージガスによる冷却効果が高められ、発電室温度Ｔ１の降下速度をさらに上昇させることができる。
【００８７】
このようにして、本実施の形態では、発電室温度Ｔ１の降下速度を上昇させることができ、停止時間が短縮されるものとなる。この停止時間の短縮により、停止モードに必要なエネルギーを低減することができるため、停止モードでの省エネルギー化を実現することができる。
【００８８】
そして、コントローラ９は、発電室温度Ｔ１が燃料極の酸化が起こらなくなる温度である１５０℃に達した時点で（図２（ｈ）に示すｔ５点）、バルブＶ３，Ｖ５，Ｖ６をオフとする。これにより、図７に示すように、燃焼室４からの排出通路Ｌ３を通しての排気ガスの流れが止められ、空気予熱部６を通しての発電室１への空気の供給が停止され、改質熱交換器２へのパージガスの供給が停止され、本実施の形態の燃料電池システムは、図１に示された運転開始前の状態に戻される。
【００８９】
なお、上述した実施の形態では、第１の排出通路Ｌ１と第２の排出通路Ｌ２をバイパスする第３の排出通路を設けたが、第１の排出通路Ｌ１と第２の排出通路Ｌ２のみの構成としてもよい。
【００９０】
また、上述した実施の形態では、第１の排出通路Ｌ１にはバルブを設けなかったが、第１の排出通路Ｌ１にバルブを設けるようにしてもよい。例えば、第１の排出通路Ｌ１と第２の排出通路Ｌ２のみの構成とし、第１の排出通路Ｌ１にのみバルブＶ１を設けたり、第２の排出通路Ｌ２にのみにバルブＶ２を設けたりしてもよい。このようにしても、一方の排出通路を通過する排気ガスの熱量（バルブの開度）を調節することにより、相関を利用して、他方の排出通路を通過する排気ガスの熱量を調節することができる。
【００９１】
また、排出通路Ｌ３を空気分配器５及び改質熱交換器２の周辺を通過するようなモジュール内の隙間構造にしてもよい。
【００９２】
また、上述した実施の形態では、排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の出口側を合流させるようにしたが、排出通路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の出口側を合流せずにそれぞれの排出通路から排ガスを引き出し、排出通路毎に設けられた排熱利用機器に導くようにしてもよい。また、排出通路Ｌ１，Ｌ２のみを合流させて、その合流点から排出される排ガスを後段に配置される排熱利用機器に導くようにしてもよい。また、排熱利用機器に入る排ガスの種類を変更する機構を作れば、必要に応じて、排出通路Ｌ３からの非常に高温のガスを排熱利用機器に供給したり、排出通路Ｌ１，Ｌ２からの比較的低温のガスを排熱利用機器に供給するなど自由度が生まれる。
【００９３】
また、上述した実施の形態では、起動モードでのみ還元燃焼バーナＢ１を使用するようにしたが、定常モードでも還元燃焼バーナＢ１を使用してもよい。例えば、全体的に熱量が足りないような場合、還元燃焼バーナＢ１を使用することによって、全熱量が不足する事態が避けられる。還元燃焼バーナＢ１からの還元燃焼ガスの熱量を調整できるようにすれば、熱を必要なときに必要な分だけ供給可能であり、省エネルギー効果も期待できる。また、還元燃焼バーナＢ１を使用する場合、改質熱交換器２や空気予熱部６に供給する高温ガスの流量を増加させることが可能であり、適温で還元燃焼バーナＢ１から熱を供給することにより熱交換効率を高めることができる。
【００９４】
また、上述した実施の形態では、発電室１内の燃料電池をＳＯＦＣとしたが、溶融炭酸塩型燃料電池などの高温型の燃料電を用いてもよい。また、上述した実施の形態では、加熱ガス供給手段として還元燃焼バーナを用いたが、還元燃焼バーナの代わりに電気ヒータを設け、電気ヒータによって加熱された還元ガスを発電室１に供給するようにしてもよい。
【００９５】
また、上述した実施の形態では、第３の排出通路Ｌ３にバルブＶ３しか設けていないが、空気予熱部６とは別に熱交換器などを設置することで、排熱利用をすることも可能である。
【００９６】
また、上述した実施の形態では、空気分配器５と改質熱交換器２との間の第１の排出通路Ｌ１の流路から第２の排出通路Ｌ２と第３の排出通路Ｌ３を分岐させているが、燃焼室４の出口から改質熱交換器２の入口までの間の第１の排出通路Ｌ１の流路中であれば、任意の場所で排出通路Ｌ２，Ｌ３を分岐させてもよい。
【００９７】
また、上述した実施の形態では、発電室温度Ｔ１が９５０℃に達した時点で、バルブＶ２，Ｖ３の開度制御を開始するようにしたが、発電室温度Ｔ１が９５０℃に達する前の起動モード中に、バルブＶ２の開度θ２を制御するようにしてもよい。この場合、バルブＶ２の開度θ２の制御により、空気予熱部６への燃焼室４からの排気ガスの熱量を調整し、発電室温度Ｔ１および改質熱交換器温度Ｔ２の上昇スピードを調整したりすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態の概略を示すシステム構成図である。
【図２】この燃料電池システムにおけるコントローラが実行する制御動作を説明するためのタイムチャートである。
【図３】図２に示したタイムチャートのｔ１時点（起動モードの開始時）の制御動作を説明する図である。
【図４】図２に示したタイムチャートのｔ２時点の制御動作を説明する図である。
【図５】図２に示したタイムチャートのｔ３時点（定常モードの開始時（起動モードの終了時））の制御動作を説明する図である。
【図６】図２に示したタイムチャートのｔ４時点（定常モードの終了時（停止モードの開始時））の制御動作を説明する図である。
【図７】図２に示したタイムチャートのｔ５時点（定常モードの終了時）の制御動作を説明する図である。
【図８】従来のＳＯＦＣを用いた燃料電池システムの概略を示す図である。
【符号の説明】
【００９９】
１…発電室、２…改質熱交換器、２−１…蒸発器、２−２…燃料予熱器、２−３…改質器、４…燃焼室、５…空気分配器、６…空気予熱部、７，８…温度センサ、９…コントローラ、１０…負荷、Ｖ１〜Ｖ６…バルブ、Ｂ１…還元燃焼バーナ、Ｌ１…第１の排出通路、Ｌ２…第２の排出通路、Ｌ３…第３の排出通路、Ｌ４，Ｌ５…燃料の供給通路、Ｌ６…酸化剤ガスの供給通路、Ｌ７…パージガスの供給通路、Ｐ１…流入口（排気ガスの流入口）、Ｐ２…排出口（排気ガスの排出口）、１０１…モジュール。
【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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