(57)【要約】【課題】  起動工程と停止工程を繰り返しても、それに伴う燃料電池セルと集電部材の電気的な接続の不良を抑制する【解決手段】  燃料電池セル集合体を発電可能な温度まで昇温させる起動工程の実行中において、燃料電池セル集合体を外側面から押圧する集電維持部材に外部ガスによって供給される単位時間当たりの熱量を、内部ガスによって燃料電池セルに供給される単位時間当たりの熱量よりも小さくする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
複数の管状の固体酸化物形の燃料電池セルを有し、前記複数の燃料電池セルをそれらの間に配置される集電部材によって電気的に接続して構成され、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池セル集合体と、
前記燃料電池セル集合体を外側面から押圧することで前記燃料電池セルと前記集電部材との電気的接続を維持させる集電維持部材と、
前記管状の燃料電池セルの内側に燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方を内部ガスとして供給する内部ガス供給手段と、
前記燃料電池セル集合体の外側面と前記集電維持部材との間に燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方を外部ガスとして供給する外部ガス供給手段と、
前記内部ガス供給手段及び外部ガス供給手段を制御し、前記固体酸化物形燃料電池システムにける運転状態の制御を行う制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池セル集合体を発電可能な温度まで昇温させる起動工程の実行中において、外部ガスによって前記集電維持部材に供給される単位時間当たりの熱量を、内部ガスによって前記燃料電池セルに供給される単位時間当たりの熱量よりも小さくす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】
前記起動工程の初期においては、外部ガスおよび／または内部ガスによって供給される単位時間当たりの熱量は、前記起動工程の後期よりも小さい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】
燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
複数の管状の固体酸化物形の燃料電池セルを有し、前記複数の燃料電池セルをそれらの間に配置される集電部材によって電気的に接続して構成され、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池セル集合体と、
前記燃料電池セル集合体を外側面から押圧することで前記燃料電池セルと前記集電部材との電気的接続を維持させる集電維持部材と、
前記管状の燃料電池セルの内側に燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方を内部ガスとして供給する内部ガス供給手段と、
前記燃料電池セル集合体の外側面と前記集電維持部材との間に燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方を外部ガスとして供給する外部ガス供給手段と、
前記内部ガス供給手段及び外部ガス供給手段を制御し、前記固体酸化物形燃料電池システムにける運転状態の制御を行う制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池セル集合体を発電状態から発電を停止し燃料電池セル集合体を降温させる停止工程の実行中において、外部ガスによって前記集電維持部材に供給される単位時間当たりの冷却熱量を、内部ガスによって前記燃料電池セルに供給される単位時間当たりの冷却熱量よりも小さくす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４】
前記停止工程の初期においては、外部ガスおよび／または内部ガスによって供給される単位時間当たりの冷却熱量は、前記停止工程の後期よりも小さい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５】
前記燃料電池セルはその一端が開放されるとともに他端を封止する底を有する管状に形成され、
前記一端側から前記燃料電池セルの内部に挿入され前記底に向けて内部ガスを供給する内部ガス供給管を有し、
前記外部ガスは前記燃料電池セルの他端側から一端側に向けて供給されることを特徴とする請求項１から４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、固体酸化物形の燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルはその電極部の面積に応じて発電出力を大きくすることができるが、通常は複数の燃料電池セルを電気的に直列および／または並列に接続して束ねた燃料電池スタックもしくは燃料電池セル集合体と呼ばれる構造にし、さらに、複数の燃料電池スタックを電気的に直列および／または並列に接続して燃料電池モジュールと呼ばれる構造にして用いられる。この燃料電池モジュールにガス供給系の補器や電力取り出し部、制御部を備えてパッケージされたものを燃料電池システムと呼び、発電機として用いられる。
【０００３】
複数の燃料電池セルを燃料電池スタックとして形成する際には、複数の燃料電池セルの間に集電部材を配設して外部から押圧をかけた状態で組立てられ電気的接続を維持させている。集電部材には金属フェルトや金属多孔質、板バネ形状となった金属などが使われ、外部から押圧をかける方法として金属製の集電維持部材で囲む方法や集電部材の弾性力を受ける反力板を設ける方法が提案されている。（特許文献１、特許文献２）
【０００４】
固体酸化物形燃料電池システムでは、発電運転状態にある燃料電池セルの温度が６００℃〜１０００℃と非常に高温であり、発電機能を発揮させるためには燃料電池モジュールの外部から熱エネルギーを与えて、発電できる状態まで昇温させる必要がある。従来の技術では燃料電池モジュールに供給される空気および／または燃料ガスを加熱した状態で供給することがなされてきた。空気側はヒーター・バーナーなどで空気を間接的に加熱する技術やバーナーや触媒燃焼による燃焼ガスを直接供給するなどの技術が提案され、燃料側は部分酸化バーナーによる還元ガス供給、触媒を利用して部分酸化ガスを生成し還元ガスとして供給などの技術が提案されている。（特許文献３）。
【０００５】
このような構造および運転技術などを用いることで、固体酸化物形の燃料電池システムでは他の発電機にはない高い発電効率で電力を供給することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２５１５０７号公報
【特許文献２】特開２００３−３０８８５７号公報
【特許文献３】特開２０１１−９１０４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、固体酸化物形燃料電池システムの運転状態を、燃料電池セルの温度が室温程度である停止状態から６００℃〜１０００℃となる発電運転まで移行させる起動工程と、発電運転から停止状態まで移行させる停止工程を繰り返すことで発電性能が低下する問題が発生しており、実用化に向けた大きな課題であった。
【０００８】
起動工程と停止工程を繰り返し性能が低下した燃料電池システムを本願の発明者らが分析した結果、燃料電池スタック内の燃料電池セル間を電気的に接続する集電部材の一部が燃料電池セルから剥離していることを確認した。そこで剥離に至る原因を究明するため、起動工程における燃料電池モジュールの各部材の温度を詳細に評価した。その結果、燃料電池モジュールを構成する各部材毎の温度上昇速度が異なり、特に起動工程の初期には金属製の集電維持部材とセラミックス製の燃料電池セルの温度差が１００℃を越えるピークが存在し、この温度差から生じる各部材毎の熱膨張量の違いが集電部材の一部が燃料電池セルから剥離した原因の一つであることが判った。すなわち、比較的低温で膨張量が小さい燃料電池セルに対し、その燃料電池セルを囲む集電維持部材は比較的高温となって大きく膨張することから、集電維持部材による燃料電池スタックへの押圧が弱まり、燃料電池セル間の集電部材を燃料電池セルから剥離させていることが判明した。
【０００９】
一方、停止工程の初期においても、集電維持部材と燃料電池セルで１００℃以上の温度差が発生し、この温度差から生じる各部材毎の熱膨張量の違いが、集電部材の一部が燃料電池セルから剥離した原因の一つであることが判った。まず、発電状態から停止状態まで移行させる停止行程においては、金属製の集電維持部材は比較的早く低温となって膨張量が小さくなる（収縮量が大きい）。これに対し、集電維持部材に囲まれる燃料電池スタックは、セラミックス製の燃料電池セルの温度低下が緩慢で膨張量が大きいまま（収縮量が小さい）であることから、集電維持部材による燃料電池スタックへの押圧が強まる。そして、停止工程の初期では、燃料電池セルおよび集電部材はまだ高温域にあるため、集電維持部材による燃料電池スタックへの押圧により、集電部材は燃料電池セル間で圧縮されて塑性変形する。したがって、その後、さらに温度が低下して集電維持部材による燃料電池スタックへの押圧が弱まると、塑性変形した集電部材では燃料電池セル間での電気的な接続を維持できなくなることが判明した。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、起動工程と停止工程を繰り返しても、それに伴う燃料電池セルと集電部材の電気的な接続の不良を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う固体酸化物形燃料電池システムにおいて、複数の管状の固体酸化物形の燃料電池セルを有し、前記複数の燃料電池セルをそれらの間に配置される集電部材によって電気的に接続して構成され、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池セル集合体と、前記燃料電池セル集合体を外側面から押圧することで前記燃料電池セルと前記集電部材との電気的接続を維持させる集電維持部材と、前記管状の燃料電池セルの内側に燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方を内部ガスとして供給する内部ガス供給手段と、前記燃料電池セル集合体の外側面と前記集電維持部材との間に燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方を外部ガスとして供給する外部ガス供給手段と、前記内部ガス供給手段及び外部ガス供給手段を制御し、前記固体酸化物形燃料電池システムにける運転状態の制御を行う制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記燃料電池セル集合体を発電可能な温度まで昇温させる起動工程の実行中において、外部ガスによって前記集電維持部材に供給される単位時間当たりの熱量を、内部ガスによって前記燃料電池セルに供給される単位時間当たりの熱量よりも小さくする。
【００１２】
このようにすることで、外部ガスによって集電維持部材に供給される単位時間当たりの熱量を、内部ガスによって燃料電池セル内部に供給される単位時間当たりの熱量よりも小さくするため、集電維持部材と燃料電池セル集合体の温度の上昇速度を近づけることができる。したがって、それらの温度差による熱膨張量の差を低減して集電維持部材による押圧を維持し、燃料電池セルと集電部材の剥離作用を抑制することができる。
【００１３】
すなわち、起動工程において燃料電池セル集合体よりも先に集電保持部材が高温となって大きく膨張し、燃料電池セルと集電保持部材との間が広がることで燃料電池セルと集電部材の電気的な接続が損なわれることを抑制することができる。
【００１４】
さらに望ましくは、前記起動工程の初期においては、外部ガスおよび／または内部ガスによって供給される単位時間当たりの熱量は、前記起動工程の後期よりも小さい。
【００１５】
一般的に燃料電池セルに用いられるセラミックスの比熱と集電維持部材に用いられる金属の比熱とは、１０％程度の差しかない。しかし、熱伝導率は集電保持部材の方が燃料電池セルより１０倍以上大きい。起動工程では各部材は加熱されたガスに接触し、部材の内部に熱を伝えていくことで部材自体の温度が上昇していく。つまり部材毎の熱伝導率の違いが起動工程における部材間温度差が生じる原因である。部材の内部で伝達される熱量は部材の内外の温度差に比例することから、加熱するガスの温度が高いほど部材内部に伝わり全体の温度が上昇する速度が大きくなる。よって、起動工程の初期は供給するガスの温度を下げて熱量を小さくすることで部材間の温度差を生じにくくしながら昇温を進めて燃料電池セルと集電部材の接続を維持し、各部材の温度がある程度高まった起動工程の後期では、供給する熱量を大きくすることで部材間の温度差を生じにくくしながら、いち早く燃料電池セル集合体を発電可能な温度まで昇温させることが可能となる。
【００１６】
また、本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う固体酸化物形燃料電池システムにおいて、複数の管状の固体酸化物形の燃料電池セルを有し、前記複数の燃料電池セルをそれらの間に配置される集電部材によって電気的に接続して構成され、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池セル集合体と、前記燃料電池セル集合体を外側面から押圧することで前記燃料電池セルと前記集電部材との電気的接続を維持させる集電維持部材と、前記管状の燃料電池セルの内側に燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方を内部ガスとして供給する内部ガス供給手段と、前記燃料電池セル集合体の外側面と前記集電維持部材との間に燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方を外部ガスとして供給する外部ガス供給手段と、前記内部ガス供給手段及び外部ガス供給手段を制御し、前記固体酸化物形燃料電池システムにける運転状態の制御を行う制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記燃料電池セル集合体を発電状態から発電を停止し燃料電池セル集合体を降温させる停止工程の実行中において、外部ガスによって前記集電維持部材に供給される単位時間当たりの冷却熱量を、内部ガスによって前記燃料電池セルに供給される単位時間当たりの冷却熱量よりも小さくすることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
ここで言う冷却熱量とは、燃料電池スタックを構成する各部材の温度と供給する冷却ガスの温度差に単位時間当たりの流量と冷却ガスの比熱を掛けて算出される熱量である。
【００１７】
このようにすることで、外部ガスによって集電維持部材に供給される単位時間当たりの冷却熱量を、内部ガスによって燃料電池セル内部に供給される単位時間当たりの冷却熱量よりも小さくするため、集電維持部材と燃料電池セル集合体の温度の降下速度を近づけることができる。したがって、停止工程の初期においてそれらの温度差による熱膨張量の差を低減して集電維持部材による必要以上の圧縮作用を抑制することができ、集電部材の塑性変形を抑え停止工程中の剥離作用を抑制することができる。
【００１８】
さらに望ましくは、前記停止工程の初期においては、外部ガスおよび／または内部ガスによって供給される単位時間当たりの冷却熱量は、前記停止工程の後期よりも小さい。
【００１９】
このようにすることで、停止工程の初期の集電維持部材と燃料電池セル集合体の温度差を生じにくくしながら降温を進めて燃料電池セルと集電部材の接続を維持し、それらの温度低下がある程度進んだ停止工程の後期では、冷却熱量を大きくすることで部材間の温度差を生じにくくしながら、いち早く燃料電池セル集合体を室温近くまで低下させることが可能となる。
【００２０】
さらに望ましくは、前記燃料電池セルはその一端が開放されるとともに他端を封止する底を有する管状に形成され、前記一端側から前記燃料電池セルの内部に挿入され前記底に向けて内部ガスを供給する内部ガス供給管を有し、前記外部ガスは前記燃料電池セルの他端側から一端側に向けて供給される。
【００２１】
起動工程においては、燃料電池セルの内側では、内部ガスが内部ガス供給管によって高温のまま燃料電池セルの底に供給されるとともに、燃料電池セルの外側では、底を有する他端側から高温の外部ガスが供給される。燃料電池セルの内外で加熱ガスの流れる方向が同方向となることで、燃料電池セルの長さ方向全体に渡って集電維持部材と燃料電池セル集合体の温度上昇速度を近づけることができ、それらの温度差による熱膨張量の差を低減して集電維持部材による押圧を維持し、燃料電池セルと集電部材の剥離作用を抑制することができる。また、停止工程においても同様に燃料電池セルの長さ方向全体に渡って集電維持部材と燃料電池セル集合体の温度低下速度を近づけることができ、部材間温度差による熱膨張量の差を低減して圧縮変形を抑制し、燃料電池セルと集電部材の剥離作用を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、起動工程と停止工程を繰り返しても、それに伴う燃料電池セルと集電部材の電気的な接続の不良を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態である燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。
【図２】同燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。
【図３】同燃料電池システムの燃料電池モジュールを中心とした詳細な構成を示す縦断面図である。
【図４】同燃料電池システムの燃料電池モジュールを中心とした詳細な構成を示す平面断面図である。
【図５】従来の燃料電池システムの一実施形態における起動工程および停止工程での各部材温度および集電部材と燃料電池セル間応力を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態である燃料電池システムの一実施形態における起動工程および停止工程での各部材温度および集電部材と燃料電池セル間応力を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態である燃料電池システムの一実施形態における起動工程および停止工程での各部材温度および集電部材と燃料電池セル間応力を示すグラフである。
【図８】同燃料電池システムの燃料電池スタックを中心とした詳細な構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２５】
はじめに、図１を参照しながら、本発明の一実施形態である燃料電池システムについて説明する。図１は、一実施形態としての燃料電池システムＦＣＳの全体構成を示す概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えている。
【００２６】
まず、燃料電池モジュールＦＣＭについて説明する。燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦと、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。燃料電池ＦＣは、固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）であって、発電室ＦＣ１と燃焼室ＦＣ２とを備えている。
【００２７】
発電室ＦＣ１には複数本の燃料電池セルＣＥが配置されている。燃料電池セルＣＥは、電解質を挟んで燃料極（アノード）と空気極（カソード）とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。
【００２８】
本実施形態の燃料電池ＦＣは固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、電解質を構成する材料としては、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といった酸素イオン導電性酸化物を用いている。
【００２９】
燃料極を構成する材料は、ＮｉＯやＣｏＯ等の金属酸化物を含み、例えば、ＮｉＯ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、ＮｉＯ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、ＮｉＯ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トとの混合体といった材料が用いられる。詳細は後述するように、ＮｉＯ等の金属酸化物は、燃料電池システムの初回の起動工程中にＮｉ等に還元される。
【００３０】
空気極を構成する材料としては、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる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から選ばれる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から選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。
【００３１】
発電室ＦＣ１において発電された電気は電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１に配置された燃料電池セルＣＥによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦと熱交換をした後に温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。
【００３２】
改質器ＲＦは、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ：Ｐａｒｔｉａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ：Ａｕｔｏ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、水蒸気改質反応（ＳＲ：Ｓｔｅａｍ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される。改質器ＲＦは、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えている。
【００３３】
蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部ＲＦ１に供給する部分である。改質部ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。改質部ＲＦ１には、改質触媒が封入されている。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、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。本実施形態の場合、これらの改質触媒は球体である。
【００３４】
制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部（制御手段）をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。燃料電池システム制御部、操作装置、表示装置、報知装置については後述する。
【００３５】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスの不完全燃焼が起きてしまい、一酸化炭素が燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。
【００３６】
続いて、補器ユニットＡＤＵについて説明する。補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス、及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂ、及び電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１、脱硫器ＦＰ２、ガス遮断弁ＦＰ４、及びガス遮断弁ＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。
【００３７】
外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒーターＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒーターＡＨ２によって昇温され、空気供給路を通って燃料電池モジュールＦＣＭの発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、燃料電池セルＣＥの空気極に供給される。
【００３８】
外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれもが開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれかが閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦに供給される。
【００３９】
外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流量が調整されて燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される。
【００４０】
可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。
【００４１】
続いて、図２を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図２は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。
【００４２】
燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＣＳは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＣＳには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。
【００４３】
操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置ＣＳ１として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置ＣＳ２としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置ＣＳ３としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。燃料電池システム制御部ＣＳは制御ボックスＣＢに収められている。また操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、図示しないボックスに収められ屋内に配置されている。
【００４４】
燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。
【００４５】
改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦの温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セルＣＥの温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セルＣＥからなる燃料電池セルスタック近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ内の圧力を測定するためのセンサである。なお、ここでは改質器ＲＦ内の圧力をセンサで測定するようにしているが、改質器ＲＦの前段で燃料と水が混合される部分の圧力を検出するものであっても良い。
【００４６】
水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。
【００４７】
電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。
【００４８】
一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１、ＧＤ２に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。
【００４９】
続いて、図３を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳを構成する燃料電池モジュールＦＣＭの詳細な構成について説明する。
【００５０】
図３に示すように、燃料電池モジュールＦＣＭは、発電室ＦＣ１と、分散室ＦＤＢと、燃焼室ＦＣ２と、水蒸気改質器ＲＦＳと、部分酸化改質器ＲＦＰとを備えている。発電室ＦＣ１、分散室ＦＤＢ及び燃焼室ＦＣ２は、耐熱性金属の壁体で構成されたモジュール容器ＭＣ内に収容されており、水蒸気改質器ＲＦＳはモジュール容器ＭＣに連結され、部分酸化改質器ＲＦＰは、モジュール容器ＭＣの外部に配設されている。
【００５１】
燃料電池セルＣＥはモジュール容器ＭＣの内部に収容されており、複数の燃料電池セルＣＥは集電部材ＥＦで連結されている。連結された複数の燃料電池セルＣＥの１本目と最終番目には、電極ロッドＲＤが接続されており、電極ロッドＲＤはモジュール容器ＭＣを貫通して外部に発電された電力を取り出せるようにしている。貫通部はモジュール容器ＭＣの壁体に開設された入口部から外方に突出形成されて内部に空間を有するハウジング部ＣＲの先端付近で電極ロッドＲＤとの絶縁かつ気密が保たれている。
【００５２】
集電部材ＥＦおよび電極ロッドＲＤは耐熱性および耐酸化性に優れる耐熱合金が使われる。集電部材ＥＦおよび電極ロッドＲＤがアノード側に設置されているのであればニッケルを使ってもいい。
【００５３】
分散室ＦＤＢは、発電室ＦＣ１の下部に配設されている。この分散室ＦＤＢは、水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスを分散させ、発電室ＦＣ１内に燃料ガスを均一に供給するためのものであり、その上壁には、燃料ガスを発電室ＦＣ１内に供給する複数の穴が貫通形成されている。また、分散室ＦＤＢの底面には、水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰから供給される改質ガスを導入するための燃料配管ＦＰが接続されている。分散室ＦＤＢの底面側（下側）から導入された改質ガスは、ここで分散され、発電室ＦＣ１の底面側（下側）から発電室ＦＣ１内に導入され、発電室ＦＣ１内に立設された燃料電池セルＣＥの燃料極に供給される。
【００５４】
改質器ＲＦは、水蒸気改質器ＲＦＳと部分酸化改質器ＲＦＰとに分けて設けられている。まず、水蒸気改質器ＲＦＳの構成について説明する。水蒸気改質器ＲＦＳは、蒸発部ＲＦＳ１、予熱部ＲＦＳ２、及び改質部ＲＦＳ３を備えている。
【００５５】
改質部ＲＦＳ３は、燃焼室ＦＣ２の上部に配設されている。改質部ＲＦＳ３の上部には、予熱部ＲＦＳ２が配設され、更にその上方には蒸発部ＲＦＳ１が配設されている。蒸発部ＲＦＳ１は、補器ユニットＡＤＵ側から純水が供給され、その純水を蒸発させて水蒸気となし、その水蒸気を予熱部ＲＦＳ２に送り込む。予熱部ＲＦＳ２は、蒸発部ＲＦＳ１から水蒸気が供給されると共に、補器ユニットＡＤＵ側から被改質ガスとしての都市ガスが供給される。予熱部ＲＦＳ２においては水蒸気と被改質ガスである都市ガスとが混合され、その混合されたガスは改質部ＲＦＳ３に送り込まれる。改質部ＲＦＳ３は、予熱部ＲＦＳ２から水蒸気及び被改質ガスが供給され、改質触媒の作用によって被改質ガスを改質して改質ガスとなし、分散室ＦＤＢへと送り込んでいる。このように、水蒸気改質器ＲＦＳ（改質部ＲＦＳ３）は、モジュール容器ＭＣに連通（もしくはモジュール容器ＭＣ内に配設）されており、且つ同じモジュール容器ＭＣ内に配設された燃焼室ＦＣ２の上方に配設されているため、燃焼室ＦＣ２で生じる熱を用いて吸熱反応である水蒸気改質反応を効率よく行うことができる。
【００５６】
部分酸化改質器ＲＦＰは、モジュール容器ＭＣの外側に断熱材を介して配設されている。部分酸化改質器ＲＦＰは、被改質ガス、空気、純水が供給されるように構成されている。部分酸化改質器ＲＦＰで改質された改質ガスは、燃料配管ＦＰを通り分散室ＦＤＢに供給される。燃料配管ＦＰは断熱材（図示せず）で包まれている。部分酸化改質器ＲＦＰは、燃料電池システムの起動工程の際と、発電工程を停止する際に、被改質ガスに部分酸化改質又は水を用いた改質を行い、燃料電池セルＣＥに還元ガスである改質ガスを供給する。
【００５７】
起動工程の際に、各燃料電池セルＣＥに高温の酸化ガスを供給するために、触媒燃焼器ＣＣ及び空気ヘッダＡＤＢが設けられている。触媒燃焼器ＣＣには、触媒が充填されており、空気と燃料ガスとが供給され、所定のＳＶ（空間速度）値と温度の着火条件を満たした場合に着火して燃焼するように構成されている。触媒燃焼器ＣＣには、流量調整ユニットＡＰ１ｂから送出され、ヒーターＡＨ２によって昇温された空気が供給されるように構成されている。また、触媒燃焼器ＣＣには、都市ガスが直接供給されるように構成されている。触媒燃焼器ＣＣによって更に昇温された空気は空気ヘッダＡＤＢに供給される。空気ヘッダＡＤＢは、複数の燃料電池セルＣＥそれぞれに空気を分配供給するように構成されている。
【００５８】
図４は、本発明の燃料電池モジュールＦＣＭを中心とした詳細な構成を示す平面断面図である。図４を参照しながら、燃料電池スタック（＝燃料電池セル集合体）ＳＴの構造を詳細に説明する。
【００５９】
図４の例では、燃料電池モジュールＦＣＭ内には３つの燃料電池スタックＳＴが収納されており、３つの燃料電池スタックＳＴはスタック集電部材ＥＳで電気的に接続されている。燃料電池スタックＳＴは、燃料電池セルＣＥを直列に６本、並列に２本配設し、燃料電池セルＣＥ間には集電部材ＥＦが直列側と並列側に介在することで１２本のセルを電気的に接続している。集電部材ＥＦは前述したように耐熱性および耐酸化性に優れる耐熱合金が使われ、弾性力および可変性を期待して耐熱合金を多孔質や繊維、もしくは板バネ状に加工されたものが用いられる。この１２本の燃料電池セルＣＥの周囲を集電維持部材ＳＦで囲み、燃料電池スタックＳＴとして構成している。この燃料電池スタックＳＴを組み立てる際には、集電維持部材ＳＦは燃料電池セルＣＥおよび集電部材ＥＦを押圧した状態で組み立てられているため、燃料電池セルＣＥと集電部材ＥＦに発生する接触抵抗は十分に小さくなっている。集電保持部材ＳＦはフェライト系ステンレスが使われる。フェライト系ステンレスはセラミックス製の燃料電池セルＣＥと同等の線膨張係数であるため、起動工程および停止工程中に内部の燃料電池セルＣＥとの熱膨張差による応力を必要以上に増減させないようにしている。
【００６０】
従来の燃料電池システムＦＣＳでは、起動工程において燃料電池セルＣＥの外側ＣＥoutを流れるガスと燃料電池セルＣＥの内側ＣＥinを流れるガスの熱量は、燃料電池セルＣＥが発電できる６００℃程度の温度となるまでの起動時間の制約や加熱機器の能力に応じて昇温加熱されてきた。
【００６１】
図５の（ａ）に従来の起動工程において、燃料電池セル外部ＣＥoutを流れるガスと燃料電池セルＣＥ内部ＣＥinを流れるガスの単位時間当たりの熱量をほぼ等しくした場合での、各部材温度および集電部材ＥＦと燃料電池セルＣＥ間応力を示す。
起動工程の初期では燃料電池モジュールＦＣＭを構成する各部材毎の温度上昇速度が異なり、特に、温度上昇が速い集電維持部材ＳＦと温度上昇が遅い燃料電池セルＣＥの温度差は時刻ｔ１でピークとなり１００℃以上の差がついている。燃料電池スタックＳＴでは集電維持部材が内部の集電部材ＥＦおよび燃料電池セルＣＥに対して圧縮側の押圧を与えることで電気的な接続の維持および接触抵抗の低減を図っているが、起動工程初期に熱伝導率の大きい集電維持部材ＳＦが熱伝導率の小さい内部の燃料電池セルＣＥより先に温度が上昇して膨張が進むため、燃料電池セルＣＥと集電部材ＥＦの押圧が弱まる方向に働き、時刻ｔ１付近においては引張方向、つまり剥離させる応力が働いている。その結果、燃料電池セルＣＥ間の電気的な接続が損なわれる、あるいは接触抵抗が増大して、燃料電池システムＦＣＳの性能低下につながっていた。
【００６２】
そこで本発明では、起動工程において、燃料電池セル外部ＣＥoutを流れるガスによって集電維持部材ＳＦに供給される単位時間当たりの熱量を、燃料電池セル内部ＣＥinを流れるガスによって燃料電池セルＣＥに供給される単位時間当たりの熱量よりも小さくする。具体的には、図３で示す構成の場合、ヒーターＡＨ１および部分酸化改質器ＲＦＰで発生させる単位時間当たりの熱量より、ヒーターＡＨ２で発生させる単位時間当たりの熱量を多くする。
【００６３】
このようにすることで、図６（ａ）に示すように、集電維持部材ＳＦの温度上昇速度を、燃料電池セルＣＥの温度上昇速度に近づけることができる。よって部材間温度差が小さくなり、部材間の熱膨張量の差により燃料電池セルＣＥと集電部材ＥＦの押圧が弱まる作用を抑制することができ、起動工程と停止工程を繰り返すことによる燃料電池システムの性能低下を回避することができる。
【００６４】
さらに望ましい形態として、起動工程の初期における燃料電池セル外部ＣＥoutを流れるガスおよび／または燃料電池セル内部ＣＥinを流れるガスによって供給される単位時間当たりの熱量は、起動工程の後期よりも小さくする。
【００６５】
図７に起動工程の初期から後期にかけて、燃料電池セル外部ＣＥoutを流れるガスおよび／または燃料電池セル内部ＣＥinを流れるガスによって供給される単位時間当たりの熱量を４段階に分けて上昇させた例を示す。起動工程初期の１段目では単位時間当たりの加熱熱量は最大値に対して４０％程度にしている。ここの例では燃料電池セルＣＥの温度上昇は４００℃程度で温度上昇速度が低下し始めるが、温度上昇が速い集電維持部材ＳＦと温度上昇が遅い燃料電池セルＣＥの温度差は３０℃〜４０℃程度に抑えている。その次に加熱熱量を６０％程度に増加させる。そうすると燃料電池スタックＳＴを構成する各部材の温度が上昇し、部材間の温度差は拡大し始めるが、すでに各部材ともに蓄熱が進んでいるため集電維持部材ＳＦと燃料電池セルＣＥの温度差は大きくは拡大せず４０℃〜５０℃程度にとどまる。同様にして燃料電池セルＣＥの温度上昇が５５０℃程度で温度上昇速度が低下し始めたら、加熱熱量を８０％程度に増加させ、燃料電池セルＣＥの温度上昇が６５０℃程度で温度上昇速度が低下し始めたら、加熱熱量を最大値１００％に増加させる。その結果、時刻ｔ３で集電維持部材ＳＦと燃料電池セルＣＥの温度差は最大となるが、その値は６０℃〜７０℃程度にとどまる。
【００６６】
起動工程の初期は供給する熱量を小さくすることで部材間の温度差を生じにくくしながら昇温を進めて燃料電池セルと集電部材の接続を維持し、各部材の温度がある程度高まった起動工程の後期では、供給する熱量を大きくすることで部材間の温度差を生じにくくしながら、いち早く燃料電池セル集合体を発電可能な温度まで昇温させることが可能となる。
【００６７】
図７に示す例では、起動工程の初期から後期にかけて、燃料電池セル外部ＣＥoutを流れるガスおよび／または燃料電池セル内部ＣＥinを流れるガスによって供給される単位時間当たりの熱量を４段階に分けて上昇させた例を示したが、段階数はより多段階にするもしくは無段階的に滑らかに熱量を上昇させることで部材間温度差のピークを抑えて、集電部材ＥＦと燃料電池セルＣＥ間の押圧が弱まる作用を抑制することができ、起動工程と停止工程を繰り返すことによる燃料電池システムの性能低下を回避することができる。
【００６８】
図５の（ｂ）に従来の停止工程において、燃料電池セル外部ＣＥoutを流れるガスと燃料電池セルＣＥ内部ＣＥinを流れるガスの単位時間当たりの熱量をほぼ等しくした場合での、各部材温度および集電部材ＥＦと燃料電池セルＣＥ間応力を示す。
停止工程の初期では燃料電池モジュールＦＣＭを構成する各部材毎の温度低下速度が異なり、特に、温度低下が速い集電維持部材ＳＦと温度低下が遅い燃料電池セルＣＥの温度差は時刻ｔ１でピークとなり１００℃以上の差がついている。発電運転状態で高温化にさらされた燃料電池スタックＳＴでは圧縮応力のかかった集電部材ＥＦは塑性変形し、集電部材ＥＦと燃料電池セルＣＥ間の応力はほぼ０になっている。停止工程初期に熱伝導率の大きい集電維持部材ＳＦが熱伝導率の小さい内部の燃料電池セルＣＥより先に温度が低下して収縮が進むため、燃料電池セルＣＥと集電部材ＥＦを圧縮する方向に働き、時刻ｔ２で圧縮量が最大となる。停止初期ではまだ各部材は高温となっているため素材の弾性変形域が非常に小さくなっており塑性変形する。時刻ｔ２以降は温度低下に伴い燃料電池セルＣＥと集電部材ＥＦを引張方向に働くが、ｔ２における圧縮量が大きいほど室温に至ったときの燃料電池セルＣＥと集電部材ＥＦ間の引張力が強くなり、燃料電池セルＣＥ間の電気的な接続が損なわれる、あるいは接触抵抗が増大する。
【００６９】
そこで本発明では、停止工程において、燃料電池セル外部ＣＥoutを流れるガスによって集電維持部材ＳＦに供給される単位時間当たりの冷却熱量を、燃料電池セル内部ＣＥinを流れるガスによって燃料電池セルＣＥに供給される単位時間当たりの冷却熱量よりも小さくする。ここで言う冷却熱量とは、燃料電池スタックＳＴを構成する各部材の温度と供給する冷却ガスの温度差に単位時間当たりの流量と冷却ガスの比熱を掛けて算出される熱量である。具体的には、図３で示す構成の場合、空気ヘッダＡＤＢから供給される空気より、部分酸化改質器ＲＦＰで発生させる還元ガスの温度を高くするおよび／または流量を少なくすることで、燃料電池セル外部ＣＥoutを流れるガスによる冷却熱量を、燃料電池セル内部ＣＥinを流れるガスによる冷却熱量よりも小さくすることができる。
【００７０】
このようにすることで、図６（ｂ）に示すように、集電維持部材ＳＦの温度低下速度を、燃料電池セルＣＥの温度低下速度に近づけることができる。よって部材間温度差が小さくなり部材間の熱膨張量の差を低減して圧縮変形を抑制し、燃料電池セルＣＥと集電部材ＥＦの圧縮変形を抑制することができ、起動工程と停止工程を繰り返すことによる燃料電池システムの性能低下を回避することができる。
【００７１】
さらに望ましい形態として、停止工程の初期における燃料電池セル外部ＣＥoutを流れるガスおよび／または燃料電池セル内部ＣＥinを流れるガスによって供給される単位時間当たりの冷却熱量を、停止工程の後期よりも小さくすることもできる。
【００７２】
たとえば停止工程において、燃料電池セル外部ＣＥoutに流れる還元ガス、つまり部分酸化改質器ＲＦＰから供給される還元ガスの温度を段階的に低下させ、また一方、燃料電池セル内部ＣＥinを流れるガス、つまり空気ヘッダＡＤＢから供給される空気を段階的に増加させることで燃料電池スタックＳＴを構成する各部材間の温度差を抑制することができる。（図示しない）
【００７３】
起動時と同様、段階数はより多段階にするもしくは無段階的に滑らかに冷却熱量を増加させることで部材間温度差のピークを抑えて、集電部材ＥＦと燃料電池セルＣＥ間の圧縮変形を抑制することができ、起動工程と停止工程を繰り返すことによる燃料電池システムの性能低下を回避することができる。
【００７４】
燃料電池セルＣＥの起動工程においては、加熱するガスが燃料電池セルスタックＳＴに接触する上流側でより多くの熱交換が行われる。よって燃料電池セル外部ＣＥoutと燃料電池セル内部ＣＥinの流れの方向を合わせておくことが、燃料電池スタックＳＴを構成する各部材間の温度差を抑制する上で効果的である。図８は燃料電池セルＣＥの一端が開放されるとともに他端を封止する底を有する管状に形成されている場合における燃料電池モジュールＦＣＭの好ましい一形態を示す。ここでは燃料電池セルＣＥの内部には燃料電池セルＣＥの底に向けて内部ガスを供給する内部ガス供給管ＡＳを有している。
【００７５】
起動工程においては、燃料電池セルＣＥの内側では、内部ガスが内部ガス供給管ＡＳによって高温のまま燃料電池セルＣＥの底に供給されるとともに、燃料電池セルＣＥの外側では、底を有する他端側から高温の外部ガスが供給される。燃料電池セルＣＥの内外で加熱ガスの流れる方向が同方向となることで、燃料電池セルＣＥの長さ方向全体に渡って各部材毎の温度上昇速度を近づけることができ、部材間温度差による熱膨張量の差を低減して集電維持部材ＳＦによる押圧を維持し、燃料電池セルＣＥと集電部材ＥＦの剥離作用を抑制することができる。また、停止工程においても同様に燃料電池セルの長さ方向全体に渡って各部材毎の温度低下速度を近づけることができ、部材間温度差による熱膨張量の差を低減して圧縮変形を抑制し、燃料電池セルＣＥと集電部材ＥＦの圧縮変形を抑制することができる。よって、起動工程と停止工程を繰り返すことによる燃料電池システムＦＣＳの性能低下を回避することができる。
【符号の説明】
【００７６】
ＡＤＢ            ：空気ヘッダ
ＡＤＵ            ：補器ユニット
ＡＨ１            ：ヒーター
ＡＨ２            ：ヒーター
ＡＰ              ：空気供給部
ＡＰ１ａ          ：流量調整ユニット
ＡＰ１ｂ          ：流量調整ユニット
ＡＰ２            ：電磁弁
ＡＰ３            ：空気供給路
ＡＳ            ：内部ガス供給管
ＣＢ              ：制御ボックス
ＣＣ              ：触媒燃焼器
ＣＥ              ：燃料電池セル
ＣＥin          ：燃料電池セル内部
ＣＥout        ：燃料電池セル外部
ＣＯＤ            ：一酸化炭素検知器
ＣＳ              ：燃料電池システム制御部
ＣＳ１            ：操作装置
ＣＳ２            ：表示装置
ＣＳ３            ：報知装置
ＣＲ              ：ハウジング部
ＤＳ１            ：改質器温度センサ
ＤＳ２            ：スタック温度センサ
ＤＳ３            ：排気温度センサ
ＤＳ４            ：改質器内圧力センサ
ＤＳ５            ：水位センサ
ＤＳ６            ：水流量センサ
ＤＳ７            ：燃料流量センサ
ＤＳ８            ：改質用空気流量センサ
ＤＳ９            ：発電用空気流量センサ
ＤＳ１０          ：電力状態検出部
ＤＳ１１          ：貯湯状態検出センサ
ＤＳ１２          ：一酸化炭素検出センサ
ＤＳ１３          ：可燃ガス検出センサ
ＥＦ            ：集電部材
ＥＰ            ：電力取出部
ＥＰ１            ：電力取出ライン
ＥＳ            ：スタック集電部材
ＦＣ            ：燃料電池
ＦＣ１            ：発電室
ＦＣ２            ：燃焼室
ＦＣＭ            ：燃料電池モジュール
ＦＣＳ            ：燃料電池システム
ＦＤＢ            ：分散室
ＦＰ              ：燃料供給部
ＦＰ１            ：流量調整ユニット
ＦＰ２            ：脱硫器
ＦＰ４            ：ガス遮断弁
ＦＰ５            ：ガス遮断弁
ＧＤ１            ：可燃ガス検知器
ＧＤ２            ：可燃ガス検知器
ＨＷ              ：温水製造装置
ＭＶ              ：混合部
ＭＣ              ：モジュール容器
ＲＦ              ：改質器
ＲＦ１            ：改質部
ＲＦ２            ：蒸発部
ＳＣ              ：燃料電池システム制御部
ＳＦ            ：集電維持部材
ＳＴ            ：燃料電池スタック
ＷＰ              ：水供給部
ＷＰ１            ：流量調整ユニット
ＷＰ２            ：貯水タンク
ＲＦＰ            ：部分酸化改質器
ＲＦＳ            ：水蒸気改質器
ＲＦＳ１          ：改質部
ＲＦＳ１          ：蒸発部
ＲＦＳ２          ：予熱部
ＲＦＳ３          ：改質部
【図１】
2012195120.tif 000003
【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】
2012195120.tif 000009
【図８】
2012195120.tif 000010