(57)【要約】【課題】炭化水素系の燃料ガスと水蒸気とを用いて水素を生成する燃料電池発電装置において、セルの破損を防止すると共に、迅速かつ確実に燃料電池発電装置を起動させることができる燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法の提供。【解決手段】燃料電池モジュール２の境界部分に第１の水蒸気発生器１０ａを配置すると共に燃料電池モジュール２の内部に第２の水蒸気発生器１０ｂを配置し、起動時に第１及び第２の水蒸気発生器を用いて水蒸気を供給する制御や、起動時に第１の水蒸気発生器１０ａの出口近傍の温度が気化可能温度以上になった後に水を供給する制御、第１の水蒸気発生器１０ａの出口近傍の温度の低下量が所定の範囲を超えた場合に第１の流量よりも小さい第２の流量で水を供給する制御、燃料ガス供給手段の温度が低下した場合に水の流量を減少又は水の供給を停止する制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、少なくとも前記水蒸気供給手段を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置される第１の水蒸気発生器と、前記燃料電池モジュールの内部に配置される第２の水蒸気発生器とを備え、
前記制御手段では、
前記燃料電池発電装置の起動時には、前記第１の水蒸気発生器と前記第２の水蒸気発生器とを用いて、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を供給することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、水蒸気発生器を含み、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、少なくとも前記水蒸気供給手段を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
前記制御手段では、
前記燃料電池発電装置の起動時に、前記水蒸気発生器の出口近傍の温度を監視し、前記温度が気化可能な所定の温度以上になった後に、前記水蒸気発生器に水を供給する制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記制御手段では、
前記水蒸気発生器に第１の流量で水を供給後、前記水蒸気発生器の出口近傍の温度の低下量が予め定められた範囲を超えた場合に、前記第１の流量よりも小さい第２の流量で前記水蒸気発生器に水を供給する制御を行うことを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記制御手段では、
前記燃料ガス供給手段の前記水蒸気供給手段との合流点近傍の温度を監視し、前記温度が低下した場合に、前記水蒸気発生器に供給する水の流量を減少、又は、水の供給を停止する制御を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、水蒸気発生器を含み、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、
コンピュータを、
前記燃料電池発電装置の起動時に、前記水蒸気発生器の出口近傍の温度を監視し、前記温度が気化可能な所定の温度以上になった後に、前記水蒸気発生器に水を供給する制御手段、として機能させることを特徴とする制御プログラム。
【請求項６】
前記制御手段では、
前記水蒸気発生器に第１の流量で水を供給後、前記水蒸気発生器の出口近傍の温度の低下量が予め定められた範囲を超えた場合に、前記第１の流量よりも小さい第２の流量で前記水蒸気発生器に水を供給する制御を行うことを特徴とする請求項５記載の制御プログラム。
【請求項７】
前記制御手段では、
前記燃料ガス供給手段の前記水蒸気供給手段との合流点近傍の温度を監視し、前記温度が低下した場合に、前記水蒸気発生器に供給する水の流量を減少、又は、水の供給を停止する制御を行うことを特徴とする請求項５又は６に記載の制御プログラム。
【請求項８】
炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、水蒸気発生器を含み、前記燃料ガスの供給経路に前記水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、少なくとも前記水蒸気供給手段を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、
前記燃料電池発電装置の起動時に、前記水蒸気発生器の出口近傍の温度を監視する第１のステップと、
前記温度が気化可能な所定の温度以上になった後に、前記水蒸気発生器に水を投入する第２のステップと、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
【請求項９】
前記第２のステップに続いて、
前記水蒸気発生器に第１の流量で水を供給後、前記水蒸気発生器の出口近傍の温度の低下量が予め定められた範囲を超えた場合に、前記第１の流量よりも小さい第２の流量で前記水蒸気発生器に水を供給する第３のステップを有することを特徴とする請求項８記載の燃料電池発電装置の制御方法。
【請求項１０】
前記第３のステップに続いて、
前記燃料ガス供給手段の前記水蒸気供給手段との合流点近傍の温度を監視する第４のステップと、
前記温度が低下した場合に、前記水蒸気発生器に供給する水の流量を減少、又は、水の供給を停止する第５のステップと、を有することを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電装置及び該燃料電池発電装置を制御するための制御プログラム並びに制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池発電装置は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用途などに利用されている。この燃料電池発電装置は、反応温度や電解質の種類によって分類することができ、反応温度が３００℃程度以下の低温型には、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、アルカリ型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）などがあり、高温型には、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）などがある。
【０００３】
この中で、固体酸化物型は、運転温度が高いために触媒を使用する必要がなく、排熱が利用しやすく、また、電池構成材料が全て固体でできていることから構成がシンプルであり、高い発電効率が得られるなどの特徴があり、近年盛んに開発が行われている。また、燃料電池発電装置は、発電セルの形状により、円筒型、モノリス型、平板積層型の３つに分類されるが、発電セルの形成が容易な平板積層型が広く採用されている。
【０００４】
上記平板積層型の固体酸化物型燃料電池装置は、発電セルとセパレータとが交互に積層されて燃料電池スタックが構成されている。発電セルは、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層とで挟み込んだ積層構造を有し、空気極側には酸化剤ガスとしても酸素（空気）が供給され、燃料極側には燃料ガスが供給されるようになっている。
【０００５】
上記空気極層及び燃料極層は、酸素や燃料ガスが固体電解質層との界面に到達することができるように多孔質材料で形成されている。また、セパレータは、発電セル間を電気的に接続すると共に、燃料ガスや酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入して燃料極層に向かって吐出させる通路を有している。また、セパレータと空気極層との間には空気極集電体が配置され、セパレータと燃料極層との間には燃料極集電体が配置されている。
【０００６】
上記構成の固体酸化物燃料電池では、セパレータを介して発電セルの空気極側に供給された酸化剤ガス（酸素）は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ２−）になる。この酸化物イオンは、燃料極に向かって固体電解質層内を拡散移動し、燃料極との界面近傍で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ２Ｏ等）となり、燃料極に電子を放出する。そして、この電子を燃料極集電体から取り出すことによって電流が発生する。上記電極反応（発電反応）は、燃料ガスとして水素を用いた場合は以下のようになる。
【０００７】
空気極：  １／２Ｏ２  ＋      ２ｅ−    →  Ｏ２−
燃料極：        Ｈ２  ＋      Ｏ２−     →  Ｈ２Ｏ  ＋  ２ｅ−
全体  ：        Ｈ２  ＋  １／２Ｏ２    →  Ｈ２Ｏ
【０００８】
ここで、燃料ガスとして水素を使用する場合、水素の濃度をコントロールするために窒素が混合され、燃料電池発電装置を起動する際には、水素と窒素を用いて燃料極の還元状態が保持される。例えば、１ｋＷ級モジュールでは、窒素２０ＮＬ／ｍｉｎと水素２ＮＬ／ｍｉｎの混合ガスを用いてパージを行っており、装置が大型化するにつれて窒素の使用量が増加してしまう。特に、燃料電池スタックが密閉されていないシールレスタイプの燃料電池発電装置では上記混合ガスの使用量が更に増加するため、発電に利用されない窒素を無駄に消費してしまい、発電コストが増加するという問題があった。
【０００９】
そこで、燃料ガスとして水素に代えて都市ガスや天然ガスなどの炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置が提案されている（例えば、下記引用文献１参照）。この燃料電池発電装置は、例えば、図７に示すように、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３に酸化剤ガスを導入する空気ブロア６や空気供給配管などの空気供給系と、燃料電池スタック３に燃料ガスを導入する燃料ガスブロア７や燃料ガス供給配管などの燃料ガス供給系と、燃料ガス供給系から送られる炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器４と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水移送ポンプ８や水蒸気発生器１０、水蒸気供給配管などの水蒸気供給系と、各種制御を行う制御部５などで構成され、燃料電池スタック３と燃料改質器４とで燃料電池モジュール２が構成される。また、上記水蒸気発生器１０は、発電の排熱を有効に利用して効率的に水蒸気を発生できるように、燃料電池モジュール２の境界部分に設置される。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２６０６９７号公報（第４−９頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
水素を生成するための炭化水素系ガスと水蒸気との反応（いわゆる改質反応）は吸熱反応であることから、改質反応を継続させるためには炭化水素系ガス及び水蒸気を高温に維持することが重要であり、そのために、燃料改質器４にはヒータなどの加熱手段が設けられている。ここで、燃料電池発電装置１で発電を行っている状態では、燃料改質器４は加熱手段によって加熱されているために温度は高く、また、燃料電池モジュール２内部は発電の排熱や燃料電池モジュール２に設けられた加熱手段によって加熱されているために炭化水素系ガス及び水蒸気を高温に維持することが可能であるが、燃料電池発電装置１の起動時には燃料改質器４の温度は低く、また、燃料電池モジュール２内部の温度も低いために以下に示すような問題が生じる。
【００１２】
第１の問題は、水蒸気発生器１０は燃料電池モジュール２の境界部分に設置されており、水蒸気発生器１０で発生した水蒸気は燃料電池モジュール２内部に配置された水蒸気供給配管を通過して燃料ガス供給配管に合流するため、燃料電池モジュール２内部の水蒸気供給配管を通過する間に水蒸気の温度が低下して燃料ガスに水が混入してしまい、水が混入した燃料ガスが燃料電池スタック３に供給され、セルの温度が急激に低下してセルが破損してしまうということである。
【００１３】
また、第２の問題は、制御部５では、燃料電池モジュール２内の各部（例えば、水蒸気発生器１０の出口近傍や燃料ガス供給配管の水蒸気供給配管との合流点近傍など）の温度を考慮せずに水蒸気発生器１０に供給する水の量を制御しているため、上記と同様に、水蒸気供給配管を通過する間に水蒸気の温度が低下して燃料ガス供給配管に水が混入したり、起動初期段階で微小な流量で水蒸気発生器に水を供給するために発電に必要な量の水蒸気を生成するまでに時間がかかってしまったり、水の供給量が多くなりすぎて燃料ガスの温度が低下してしまうということである。
【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、炭化水素系の燃料ガスと水蒸気とを用いて水素を生成する燃料電池発電装置において、セルの破損を防止すると共に、迅速かつ確実に燃料電池発電装置を起動させることができる燃料電池発電装置及び該燃料電池発電装置の制御プログラム並びに制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電装置は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、少なくとも前記水蒸気供給手段を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、前記水蒸気供給手段に、前記燃料電池モジュールの境界部分に配置される第１の水蒸気発生器と、前記燃料電池モジュールの内部に配置される第２の水蒸気発生器とを備え、前記制御手段では、前記燃料電池発電装置の起動時には、前記第１の水蒸気発生器と前記第２の水蒸気発生器とを用いて、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を供給するものである。
【００１６】
また、本発明の燃料電池発電装置は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、水蒸気発生器を含み、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、少なくとも前記水蒸気供給手段を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、前記制御手段では、前記燃料電池発電装置の起動時に、前記水蒸気発生器の出口近傍の温度を監視し、前記温度が気化可能な所定の温度以上になった後に、前記水蒸気発生器に水を供給する制御を行うものである。
【００１７】
本発明においては、前記制御手段では、前記水蒸気発生器に第１の流量で水を供給後、前記水蒸気発生器の出口近傍の温度の低下量が予め定められた範囲を超えた場合に、前記第１の流量よりも小さい第２の流量で前記水蒸気発生器に水を供給する制御を行うものである。
【００１８】
また、本発明においては、前記制御手段では、前記燃料ガス供給手段の前記水蒸気供給手段との合流点近傍の温度を監視し、前記温度が低下した場合に、前記水蒸気発生器に供給する水の流量を減少、又は、水の供給を停止する制御を行う構成とすることができる。
【００１９】
また、本発明のプログラムは、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、水蒸気発生器を含み、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータを、前記燃料電池発電装置の起動時に、前記水蒸気発生器の出口近傍の温度を監視し、前記温度が気化可能な所定の温度以上になった後に、前記水蒸気発生器に水を供給する制御手段、として機能させるものである。
【００２０】
また、本発明の方法は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、水蒸気発生器を含み、前記燃料ガスの供給経路に前記水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、少なくとも前記水蒸気供給手段を制御する制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、前記燃料電池発電装置の起動時に、前記水蒸気発生器の出口近傍の温度を監視する第１のステップと、前記温度が気化可能な所定の温度以上になった後に、前記水蒸気発生器に水を投入する第２のステップと、を少なくとも有するものである。
【００２１】
本発明においては、前記第２のステップに続いて、前記水蒸気発生器に第１の流量で水を供給後、前記水蒸気発生器の出口近傍の温度の低下量が予め定められた範囲を超えた場合に、前記第１の流量よりも小さい第２の流量で前記水蒸気発生器に水を供給する第３のステップを有する構成とすることができる。
【００２２】
また、本発明においては、前記第３のステップに続いて、前記燃料ガス供給手段の前記水蒸気供給手段との合流点近傍の温度を監視する第４のステップと、前記温度が低下した場合に、前記水蒸気発生器に供給する水の流量を減少、又は、水の供給を停止する第５のステップと、を有する構成とすることもできる。
【００２３】
このように、本発明によれば、燃料電池モジュール内部に第２の水蒸気発生器が配置されているため、第２の水蒸気発生器から燃料ガス供給配管までの経路を短くして水蒸気の温度の低下を防止することができ、これにより、水が混入した燃料ガスがスタックに供給されてセルが破損するという問題を回避することができる。
【００２４】
また、本発明によれば、制御手段により燃料電池モジュール内の所定の部分の温度に基づいて水蒸気供給手段の動作が制御されるため、燃料ガス供給配管への水の混入や燃料ガスの温度の低下を防止し、また、起動に要する時間を短縮して、迅速かつ確実に燃料電池発電装置を起動させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法によれば、下記記載の効果を奏する。
【００２６】
本発明の第１の効果は、セルの急激な温度低下を抑制してセルの破損を防止することができるということである。
【００２７】
その理由は、本発明の燃料電池発電装置には、炭化水素系ガスから水素を生成するために利用する水蒸気を発生させる水蒸気発生器として、燃料電池モジュールの境界に第１の水蒸気発生器が配置され、燃料電池モジュール内部に第２の水蒸気発生器が配置され、起動時には第１の水蒸気発生器と第２の水蒸気発生器とを用いて水蒸気を発生させているため、第２の水蒸気発生器から燃料ガス供給配管までの経路を短くして水蒸気の温度の低下を防止することができ、これにより水が混入した燃料ガスが燃料電池スタックに供給されるという不具合を防止することができるからである。
【００２８】
また、本発明の第２の効果は、燃料電池発電装置を迅速かつ確実に起動させることができるということである。
【００２９】
その理由は、水蒸気発生器の出口近傍の温度や燃料ガス供給配管の水蒸気供給配管との合流点近傍の温度などの所定の部分の温度に基づいて、水蒸気発生器に水を供給するタイミングや供給する水の流量を制御しているため、燃料ガス供給配管への水の混入や燃料ガスの温度の低下を防止することができ、また、起動に要する時間を短縮することができるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明は、その好ましい一実施の形態において、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、少なくとも水蒸気供給手段とを制御する制御手段、を備える燃料電池発電装置において、水蒸気供給手段に、燃料電池モジュールの境界部分に配置される第１の水蒸気発生器と、燃料電池モジュールの内部に配置される第２の水蒸気発生器とを備え、制御手段で、燃料電池発電装置の起動時に、第１の水蒸気発生器と第２の水蒸気発生器とを用いて水蒸気を供給する制御や、燃料電池発電装置の起動時に、第１の水蒸気発生器の出口近傍の温度が気化可能な所定の温度以上になった後に第１の水蒸気発生器に水を供給する制御、第１の水蒸気発生器に第１の流量で水を供給後、第１の水蒸気発生器の出口近傍の温度の低下量が予め定められた範囲を超えた場合に、第１の流量よりも小さい第２の流量で第１の水蒸気発生器に水を供給する制御、燃料ガス供給手段の水蒸気供給配管との合流点近傍の温度が低下した場合に、第１の水蒸気発生器に供給する水の流量を減少、または水の供給を停止する制御を行うものである。以下、その具体的構成について、図面を参照して説明する。
【実施例】
【００３１】
上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の制御プログラム並びに制御方法について、図１乃至図６を参照して説明する。図１は、本実施例の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。また、図２は、燃料電池モジュール内の燃料電池スタックの具体的構成例を示す図であり、図３は、本実施例の燃料電池発電装置を用いた制御手順を示すフローチャート図である。また、図４は、燃料電池発電装置の起動から停止までの水や燃料の流量、燃料電池スタックの温度、燃料電池モジュールの出力の経時変化を示す図であり、図５及び図６は、燃料電池発電装置の各部の温度の具体例を示す図である。
【００３２】
図１に示すように、本実施例の燃料電池発電装置１は、燃料ガス（都市ガスや天然ガス、ＬＰＧガスなどの炭化水素ガス）の流量と酸化剤ガス（酸素や空気など）の流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３に酸化剤ガス（本実施例では空気とする。）を導入する空気ブロア６や空気供給配管などの空気供給系と、燃料電池スタック３に燃料ガスを導入する燃料ガスブロア７や燃料ガス供給配管などの燃料ガス供給系と、燃料電池モジュール２内に配設され、燃料ガス供給系から送られる炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器４と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水移送ポンプ８や第１の水蒸気発生器１０ａ、第２の水蒸気発生器１０ｂ、水蒸気供給配管などの水蒸気供給系と、第１の水蒸気発生器１０ａの出口近傍の温度や、燃料ガス供給配管の水蒸気供給配管との合流点近傍の温度などの燃料電池モジュール２内部の所定の部分の温度を測定する温度測定手段（図示せず）と、水や燃料ガス、空気の流量制御などを行う制御部５と、燃料電池スタック３からの直流出力を交流出力に変換して交流電力を外部負荷に供給するインバータ（図示せず）などで構成されている。
【００３３】
また、上記第１の水蒸気発生器１０ａは、燃料電池モジュール２の排熱を有効に利用して水蒸気を発生できるように、燃料電池モジュール２の境界部分に配置され、第２の水蒸気発生器１０ｂは、生成した水蒸気を速やかに燃料ガス供給配管に導入できるように、燃料電池モジュール２内部の燃料ガス供給配管の近傍に配置されている。
【００３４】
また、この制御部５は通常、燃料電池発電装置１の制御装置内に設けられており、制御装置の演算処理部や表示部、操作部などと協働して動作するように構成される。なお、上記制御部５は制御装置内にハードウェアとして構成されていてもよいし、コンピュータ（ソフトウェアを実行可能なハードウェア資源の総称）を、上記制御部５として機能させる制御プログラムとして構成し、該制御プログラムを制御装置で実行させるようにしてもよい。
【００３５】
また、図１に示した燃料電池発電装置１の燃料電池スタック３の構成は特に限定されないが、例えば、図２に示すような構成とすることができる。具体的に説明すると、燃料電池モジュール２内に配置される燃料電池スタック３は、固体電解質層１２の両面に燃料極層１３と空気極層１１とを配置した発電セル１４と、燃料極層１３の外側に配置した燃料極集電体１９と、空気極層１１の外側に配置した空気極集電体１８と、各集電体の外側に配したセパレータ１７とからなる単セルが縦方向に多数積層されて構成されている。
【００３６】
固体電解質層１２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層１３はＮｉ、Ｃｏ等の金属又はＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層１１はＬａＭｎＯ３、ＬａＣｏＯ３等で構成されている。また、燃料極集電体１９はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体１８はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１７はステンレス等で構成されている。
【００３７】
また、セパレータ１７は、発電セル１４間を電気的に接続すると共に、発電セル１４に対してガスを供給する機能を有し、燃料ガスをセパレータ１７の外周面から導入して燃料極集電体１９に対向する面のほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ１７の外周面から導入して空気極集電体１８に対向する面に吐出する酸化剤ガス通路とを備えている。
【００３８】
また、この燃料電池スタック３の両側にはステンレス等で形成された一対の端板１５、１６が配置されており、燃料電池スタック３の電力はこの上下一対の端板１５、１６を介して外部に取り出すことができるようになっている。
【００３９】
なお、この燃料電池スタック３は、発電セル１４の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造となっており、運転時には、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路を通してセパレータ１７の略中心部から発電セル１４に向けて供給される燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を発電セル１４の外周方向に拡散させながら燃料極層１３及び空気極層１１の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス（高温排ガス）を発電セル１４の外周部からハウジング内に自由に放出するようになっており、ハウジングの内部空間に放出された排ガスは排気穴より燃料電池モジュール２外に排出されるようになっている。
【００４０】
次に、上記構成の燃料電池発電装置を用いた具体的な制御手順について、図３のフローチャート図を参照して説明する。
【００４１】
まず、ステップＳ１０１で、コールドスタンバイ状態（常温状態）において制御装置のボタン操作などによって起動を指示すると、ステップＳ１０２で、燃料電池モジュール２内の設けられたヒータ等の加熱手段（図示せず）によって燃料電池スタック３が加熱、昇温される。
【００４２】
次に、水蒸気供給系を用いて燃料ガス供給配管に水蒸気を導入するが、従来の装置では、図７に示すように、電池燃料モジュール２の境界部分にのみ水蒸気発生器１０が配置されていたため、水蒸気発生器１０から燃料ガス供給配管までの距離が長く、水蒸気発生器１０で発生した水蒸気の温度が水蒸気供給配管を通過する間に低下してしまうという問題があった。これに対して、本実施例の燃料電池発電装置１では、電池燃料モジュール２の境界部分に配置された第１の水蒸気発生器１０ａに加えて、電池燃料モジュール２の内部の好ましくは燃料ガス供給配管近傍に第２の水蒸気発生器１０ｂを設け、第２の水蒸気発生器１０ｂから燃料ガス供給配管までの距離を短くし、起動時には第１の水蒸気発生器１０ａと第２の水蒸気発生器１０ｂとを使用して水蒸気を発生させるため、水蒸気供給配管での水蒸気の温度の低下を抑制して燃料ガス供給系への水の混入を防止することができる。
【００４３】
また、従来の装置では、電池燃料モジュール２内部の温度にかかわらず水蒸気発生器に水を投入していたため、水蒸気供給配管の温度が低い場合に水蒸気の温度が低下してしまうという問題があった。これに対して、本実施例の燃料電池発電装置１では、ステップＳ１０３で、制御部５は第１の水蒸気発生器１０ａの出口近傍の温度を監視し、ステップＳ１０４で、その温度が気化可能な所定の温度以上である場合に水を投入する制御を行う。
【００４４】
この制御を図５で説明すると、燃料電池モジュール２内には各部（具体的には第１の水蒸気発生器１０ａの出口近傍や燃料ガス供給配管の水蒸気供給配管との合流点近傍など）の温度を検出するための温度検出手段が予め設けられており、制御部５は第１の水蒸気発生器１０ａの出口近傍の温度が気化可能な所定の温度（例えば、１５０℃）になったことを確認してから、水移送ポンプ８を制御して第１の水蒸気発生器１０ａに水を投入する。これにより、水蒸気供給配管での水蒸気の温度低下を抑制することができる。
【００４５】
また、従来の装置では、水蒸気発生器に水を供給する際に、初期投入時に少量の水を投入し、その後、徐々に水の流量を増やす制御をしていたため、発電に必要な水蒸気量を生成するまでに時間がかかり、装置を迅速に起動することができないという問題があった。これに対して、本実施例の燃料電池発電装置１では、制御手段５は、初期投入時に多い流量（第１の流量）の水を供給するように制御する。
【００４６】
この制御を図４で説明すると、水の初期投入時（図中の水投入で示すタイミング）に、制御部５は定常状態よりも多い第１の流量（例えば、約１０ｍｌ／ｍｉｎ）で水を供給するように水移送ポンプ８を制御する。これにより、気化速度を早めることができ、装置を迅速に起動させることができる。
【００４７】
この場合、第１の流量の水を投入し続けると、水蒸気の供給量が多くなり、燃料ガスの温度が低下して燃料ガス供給系に水が混入しまうため、ステップＳ１０６で、制御手段５は、第１の水蒸気発生器１０ａの出口近傍の温度を監視し、ステップＳ１０７でその温度の低下量が予め定められた所定の範囲を超えたら、第１の水蒸気発生器１０ａに十分な量の水が供給されていると判断し、第１の流量よりも少ない流量（第２の流量）で水を供給するように制御する。
【００４８】
この制御を図６で説明すると、制御部５は第１の水蒸気発生器１０ａの出口近傍の温度の低下量が所定の範囲（例えば、１０℃など）を超えたことを確認したら（図では初期投入時の１５０℃から９３℃に低下している状態を示している。）、第１の流量よりも少ない第２の流量で第１の水蒸気発生器１０ａに水が供給されるように水移送ポンプ８を制御する（図４の燃料ガス投入直前の状態）。これにより、燃料ガスの温度の低下を未然に防止することができる。
【００４９】
その後、燃料ガス供給系に炭化水素系ガスを供給し、燃料電池スタック３の温度が所定の温度に達するまで待機する。その際、従来の装置では、水蒸気発生器に一定の流量の水を供給していたため、水の供給量が多いと燃料ガス供給系に水が混入したり燃料ガスの温度が低下し、また、水の供給量が少ないと発電に必要な水蒸気量を生成するまでに時間がかかり、装置を迅速に起動することができないという問題があったが、本実施例の燃料電池発電装置１では、ステップＳ１０９で、制御手段５は、燃料電池モジュール２内の所定の部分（ここでは燃料ガス供給配管の水蒸気供給配管との合流点近傍）の温度を監視し、ステップＳ１１０で、この部分の温度に基づいて水の流量を制御する。
【００５０】
この制御を図４で説明すると、燃料ガス投入後、制御部５は燃料ガス供給配管の水蒸気供給配管との合流点近傍の温度を監視し、この部分の温度が低下したら第１の水蒸気発生器１０ａへの水の供給量を減少又は水の供給を停止し、逆にこの部分の温度が上昇したら水の供給量を増やす制御を行う。これにより、燃料ガス供給系への水の混入や燃料ガスの温度の低下を防止しつつ、水蒸気の気化速度を早めて装置を迅速に起動させることができる。
【００５１】
なお、上記説明では、第１の水蒸気発生器１０ａと第２の水蒸気発生器１０ｂとを備える装置において、水蒸気発生器に水を投入するタイミングや起動時の水の流量を制御する構成としたが、これらの制御は燃料電池モジュール２に１つの水蒸気発生器を備える装置においても同様に実行可能であり、同様の効果を得ることができる。従って、ステップＳ１０３〜Ｓ１１０までの制御は第１の水蒸気発生器１０ａと第２の水蒸気発生器１０ｂとを備える構成のみならず、１つの水蒸気発生器を備える構成においても適用することができる。
【００５２】
その後、ステップＳ１１１で、制御部５は、燃料電池スタック３の温度を監視し、所定の温度以上となったら起動工程を終了する。
【００５３】
このように、本実施例の燃料電池発電装置１には、燃料電池モジュール２の境界部分に配置された第１の水蒸気発生器１０ａと、燃料電池モジュール２の内部の燃料ガス供給配管近傍に配置された第２の水蒸気発生器１０ｂの２つの水蒸気発生手段を備え、起動時には、第１の水蒸気発生器１０ａと第２の水蒸気発生器１０ｂとを動作させるため、発生した水蒸気の温度が低下して、燃料ガス供給系に水が混入するという問題を回避することができる。
【００５４】
また、燃料電池モジュール２内部の温度が低い起動時では、制御部５で第１の水蒸気発生器１０ａの出口近傍の温度を監視し、気化可能な所定の温度以上となってから水を投入するため、上記と同様に、発生した水蒸気の温度が低下して、燃料ガス供給系に水が混入するという問題を回避することができる。
【００５５】
また、水の初期投入時には、多めの流量（第１の流量）の水を供給する制御を行うため、水蒸気の気化速度を早めて装置を迅速に起動させることができ、また、制御部５で第１の水蒸気発生器１０ａの出口近傍の温度を監視し、温度の低下量が予め定められた所定の範囲を超えたら第１の流量よりも小さい第２の流量に変更する制御を行うため、燃料ガスの温度の低下を抑制することができる。
【００５６】
また、制御部５で燃料ガス供給配管の水蒸気供給配管との合流点近傍などの所定の部分の温度を監視し、その温度に基づいて水の流量を増減させる制御を行うため、燃料ガス供給系への水の混入や燃料ガスの温度の低下を防止すると共に、水蒸気の気化速度を早めて装置を迅速に起動させることができる。
【００５７】
なお、上記実施例では、シールレスタイプの燃料電池発電装置１について記載したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、シールタイプの燃料電池発電装置１においても同様の効果を得ることができる。また、上記実施例では、燃料電池発電装置１に第１の水蒸気発生器１０ａと第２の水蒸気発生器１０ｂの２つの水蒸気発生手段を設けたが、少なくとも１つの水蒸気発生器を含んでいればよく、また、３つ以上の水蒸気発生器を備える構成とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の制御方法は、固体酸化物型燃料電池発電装置において特に有効であるが、固体高分子型燃料電池発電装置、アルカリ型燃料電池発電装置、リン酸型燃料電池発電装置、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置などの他の種類の燃料電池発電装置に対しても適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの具体的構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置を用いた制御手順を示すフローチャート図である。
【図４】本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の起動から停止までの、水や燃料の流量、セパレータの温度、出力の経時変化を示す図を示すチャート図である。
【図５】本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の水投入時における各部の温度を示す図である。
【図６】本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の水流量減少時における各部の温度を示す図である。
【図７】従来の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  燃料電池発電装置
２  燃料電池モジュール
３  燃料電池スタック
４  燃料改質器
５  制御部
６  空気ブロア
７  燃料ガスブロア
８  水移送ポンプ
９  純水タンク
１０  水蒸気発生器
１０ａ  第１の水蒸気発生器
１０ｂ  第２の水蒸気発生器
１１  空気極層
１２  固体電解質層
１３  燃料極層
１４  発電セル
１５、１６  端板
１７  セパレータ
１８  空気極集電体
１９  燃料極集電体
【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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