(57)【要約】【課題】排気ガス性能等の様々な要求を満足しながら、燃料電池モジュール内の温度を十分に制御することができる固体酸化物型燃料電池を提供する。【解決手段】本発明は、固体酸化物型燃料電池(1)であって、燃料電池モジュール(2)と、燃料供給手段(38)と、発電用酸化剤ガス供給手段(45)と、残余燃料を燃焼させる燃焼室(18)と、排気ガスを排出するための排気通路(82)と、この排気通路に設けられ、燃料電池モジュールの運転中においては完全に閉鎖されることなく、排気通路の流路抵抗を可変する排気バルブ(85)と、燃料供給手段、発電用酸化剤ガス供給手段、及び排気バルブを制御する制御手段(110)と、を有し、制御手段は、燃料電池モジュールの運転状態に基づいて、排気バルブの開度を制御することを特徴としている。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池であって、
燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記燃料電池セルスタックの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料電池セルスタックにおいて発電に利用されずに残った残余燃料を、上記発電用酸化剤ガス供給手段により供給され、発電に利用されずに残った酸化剤ガスにより燃焼させる燃焼室と、
この燃焼室内で発生した燃焼ガス、及び、発電及び燃焼に利用されずに残った酸化剤ガスを含む排気ガスを排出するための排気通路と、
この排気通路に設けられ、上記燃料電池モジュールの運転中においては完全に閉鎖されることなく、上記排気通路の流路抵抗を可変する排気バルブと、
上記燃料供給手段、上記発電用酸化剤ガス供給手段、及び上記排気バルブを制御する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの運転状態に基づいて、上記排気バルブの開度を制御することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
上記排気バルブは、機械的に、完全に閉鎖されないように構成されている請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
上記制御手段は、上記燃料電池セルスタックの温度を発電可能な温度まで上昇させる起動工程を実行するように構成され、この起動工程において、上記排気バルブは、上記燃料電池モジュール内の温度が低いときは、上記燃料電池モジュール内の温度が高いときよりも開度が小さくなるように制御される請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
更に、上記燃料電池セルスタックの温度を発電可能な温度まで上昇させる起動工程において残余燃料に着火させる着火手段を有し、上記制御手段は、上記起動工程中に上記着火手段を作動させると共に、上記排気バルブの開度を小さくする請求項２又は３に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
更に、上記着火手段による着火が成功したか否かを判定する着火判定手段を有し、上記制御手段は、上記着火手段を作動させた後、所定期間着火の成功が判定されない場合には、上記排気バルブの開度を一旦大きくし、その後、再び上記排気バルブの開度を小さくして、上記着火手段を作動させる請求項４記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
上記制御手段は、電力を生成する発電工程において、上記燃料電池モジュールによる発電電力が小さいときは、発電電力が大きいときよりも、上記排気バルブの開度を小さくする請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項７】
上記制御手段は、電力を生成する発電工程において、上記燃料供給手段及び上記排気バルブを制御して、上記燃料電池モジュール内の温度を所定の温度帯域内に維持する温度帯域維持制御を実行し、この温度帯域維持制御においては、燃料供給量を変更する前に、上記排気バルブの開度を変更することにより、上記燃料電池モジュール内の温度を操作する請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項８】
上記制御手段は、上記燃料電池モジュールによる発電を停止させる発電停止工程において、上記燃料供給手段による燃料の供給を停止させた後も、上記発電用酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガスの供給を継続させると共に、上記排気バルブの開度を大きくする請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項９】
更に、上記排気通路に設けられ、上記排気ガスの熱を回収するための熱交換器と、この熱交換器をバイパスするように設けられたバイパス通路と、を有し、上記排気バルブは、上記バイパス通路の流路抵抗を可変するように、上記バイパス通路に配置され、上記制御手段は、上記運転停止工程において上記排気バルブの開度を大きくする請求項８記載の固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池に係わり、特に、水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。
【０００３】
特許第４４７４６８８号公報（特許文献１）には、固体電解質型燃料電池が記載されている。この燃料電池においては、燃料電池モジュールが適正に発電することができる上限の温度と下限の温度の間を温度監視帯域として設定し、燃料電池モジュール内の温度が、この帯域内に入るように制御を行っている。具体的には、この燃料電池においては、燃料電池モジュール内の温度が上限温度よりも高くなった場合には、発電量に応じて予め設定されている燃料供給量を所定量減少させ、下限温度よりも低くなった場合には、燃料供給量を所定量増加させることにより、燃料電池モジュール内の温度を適正範囲に維持している。
【０００４】
即ち、特許第４４７４６８８号公報記載の燃料電池においては、燃料電池モジュール内の温度を上昇させようとする場合には、燃料供給量を増加させる。これにより、発電に使用されずに残る残余燃料が増加し、この燃料が燃料電池モジュール内で燃焼されることにより、温度が上昇傾向にすることができる。逆に、燃料電池モジュール内の温度を低下させようとする場合には、燃料供給量を減少させることにより、残余燃料を減少させ、燃料電池モジュール内で燃焼される燃料を減少させる。
【０００５】
このような燃料供給量の操作に加え、燃料電池モジュール内の温度を維持するために、発電用空気の供給量も制御される。燃料電池モジュール内に供給された発電用の空気は、発電に利用されると共に、発電に利用されずに残った空気は、残余燃料の燃焼に利用される。残余燃料が燃焼された燃焼ガス、及び発電、燃焼に利用されずに残った発電用の空気は、燃料電池モジュールから排気として排出される。このように、燃料電池モジュール内に導入され、排出された発電用の空気は、燃料電池モジュール内の熱を奪うので、発電用の空気供給量を増加させることによって、燃料電池モジュール内の温度を低下傾向にすることができる。逆に、発電用の空気供給量を減少させることにより、燃料電池モジュール内の温度を上昇傾向にすることができる。
【０００６】
このように、燃料供給量及び発電用空気供給量は、燃料電池モジュール内の温度維持を目的に増減されるが、要求されている電力を生成するために使用される燃料及び空気の供給量は、常に確保されている必要がある。即ち、燃料供給量が発電に利用される燃料の量を下回った場合には燃料枯れが発生し、発電用空気供給量が発電に利用される空気の量を下回った場合には空気枯れが発生し、何れの場合にも、燃料電池セルユニットの損傷を引き起こしてしまう。特許第４４７４６８８号公報記載の燃料電池においては、このような制約の下で、燃料供給量及び発電用空気供給量を制御し、燃料電池モジュール内の温度を所定の温度範囲に維持している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４４７４６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許第４４７４６８８号公報記載の燃料電池では、発電運転中において、燃料電池モジュール内の温度を所定の温度範囲に或る程度維持することは可能であるが、様々な運転状態に十分に対応することは困難である。例えば、燃料電池の起動工程においては、常温の燃料電池モジュールを発電可能な温度まで急速に温度上昇させる必要があり、燃料電池の停止工程においては、高温の燃料電池モジュールをメンテナンス等が可能な温度まで急速に低下させる必要がある。
【０００９】
加えて、燃料電池モジュールから排出される排気ガスには、残余燃料の燃焼ガス、発電及び燃焼に利用されずに残った空気、燃料の未燃ガスが含まれ、これらの排気ガス中の成分は、燃料供給量及び発電用空気供給量に依存する。排気中に含まれる一酸化炭素等の有害物質の濃度は、燃料電池の運転の各工程において所定レベル未満に抑制される必要があり、これにより、燃料供給量及び発電用空気供給量を制御可能な範囲が制約を受ける。
【００１０】
このように、燃料電池モジュール内の温度制御には様々な制約があり、燃料供給量及び発電用空気供給量の操作のみでは、燃料電池モジュール内の温度を十分に制御することができないという問題がある。本発明は、このような問題を解決するためになされたものである。
【００１１】
従って、本発明は、排気ガス性能等の様々な要求を満足しながら、燃料電池モジュール内の温度を十分に制御することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するために、本発明は、水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池であって、燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池セルスタックの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料電池セルスタックにおいて発電に利用されずに残った残余燃料を、発電用酸化剤ガス供給手段により供給され、発電に利用されずに残った酸化剤ガスにより燃焼させる燃焼室と、この燃焼室内で発生した燃焼ガス、及び、発電及び燃焼に利用されずに残った酸化剤ガスを含む排気ガスを排出するための排気通路と、この排気通路に設けられ、燃料電池モジュールの運転中においては完全に閉鎖されることなく、排気通路の流路抵抗を可変する排気バルブと、燃料供給手段、発電用酸化剤ガス供給手段、及び排気バルブを制御する制御手段と、を有し、制御手段は、燃料電池モジュールの運転状態に基づいて、排気バルブの開度を制御することを特徴としている。
【００１３】
このように構成された本発明においては、燃料供給手段が、燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールに燃料を供給する。一方、発電用酸化剤ガス供給手段は、燃料電池セルスタックの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する。供給された燃料及び発電用酸化剤ガスにより電力が生成されると共に、発電に利用されずに残った残余燃料は、燃焼室において、発電に利用されずに残った酸化剤ガスにより燃焼される。燃焼室内で発生した燃焼ガス及び残った酸化剤ガスを含む排気ガスは、排気通路の流路抵抗を可変する排気バルブが設けられた排気通路を通って排出される。この排気バルブは燃料電池モジュールの運転中においては完全に閉鎖されることはなく、制御手段は、燃料電池モジュールの運転状態に基づいて、排気バルブの開度を制御する。
【００１４】
このように構成された本発明によれば、制御手段が燃料電池モジュールの運転状態に基づいて排気バルブの開度を制御するので、簡単な構成により、発電効率、温度制御、排気ガス性能等の様々な要求を満足することができる。また、排気バルブは燃料電池モジュールの運転中においては完全に閉鎖されることがないため、残余燃料が燃料電池モジュール内に滞留し、異常燃焼等を起こすリスクを確実に回避することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、排気バルブは、機械的に、完全に閉鎖されないように構成されている。
このように構成された本発明によれば、排気バルブが機械的に、完全に閉鎖されないように構成されているので、排気バルブの制御系等に不具合があった場合でも、排気バルブが完全に閉鎖されることはなく、異常燃焼等を起こすリスクをより確実に回避することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池セルスタックの温度を発電可能な温度まで上昇させる起動工程を実行するように構成され、この起動工程において、排気バルブは、燃料電池モジュール内の温度が低いときは、燃料電池モジュール内の温度が高いときよりも開度が小さくなるように制御される。
【００１７】
このように構成された本発明によれば、起動工程において燃料電池モジュール内の温度が低いときは、排気バルブの開度が小さくなるように制御されるので、燃料電池モジュールから排気と共に排出される熱量を減少させることができ、燃料電池セルスタックの昇温を促進することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、更に、燃料電池セルスタックの温度を発電可能な温度まで上昇させる起動工程において残余燃料に着火させる着火手段を有し、制御手段は、起動工程中に着火手段を作動させると共に、排気バルブの開度を小さくする。
【００１９】
このように構成された本発明によれば、制御手段が着火手段を作動させると共に、排気バルブの開度を小さくするので、着火時における燃料及び発電用空気の流速を低下させることができ、燃料供給量を過剰に上昇させることなく着火を行うことができる。これにより、無駄な燃料の消費を抑制すると共に、排気性能を向上させることができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、更に、着火手段による着火が成功したか否かを判定する着火判定手段を有し、制御手段は、着火手段を作動させた後、所定期間着火の成功が判定されない場合には、排気バルブの開度を一旦大きくし、その後、再び排気バルブの開度を小さくして、着火手段を作動させる。
【００２１】
このように構成された本発明によれば、制御手段は、着火手段作動後、所定期間着火の成功が判定されない場合に、排気バルブの開度を一旦大きくするので、着火に失敗している期間に供給され、燃料電池モジュール内に滞留している過剰な燃料が異常燃焼を起こすのを防止することができる。
【００２２】
本発明において、好ましくは、制御手段は、電力を生成する発電工程において、燃料電池モジュールによる発電電力が小さいときは、発電電力が大きいときよりも、排気バルブの開度を小さくする。
【００２３】
このように構成された本発明によれば、発電工程において、発電電力が小さいときは排気バルブの開度が小さくされるので、排気と共に燃料電池モジュールから排出される熱量を減少させることができ、小発電電力時において、少ない燃料で燃料電池モジュール内の温度を適正温度に維持することができる。これにより、小発電電力時における発電効率を向上させることができる。
【００２４】
本発明において、好ましくは、制御手段は、電力を生成する発電工程において、燃料供給手段及び排気バルブを制御して、燃料電池モジュール内の温度を所定の温度帯域内に維持する温度帯域維持制御を実行し、この温度帯域維持制御においては、燃料供給量を変更する前に、排気バルブの開度を変更することにより、燃料電池モジュール内の温度を操作する。
【００２５】
このように構成された本発明によれば、排気バルブが備えられているので、排気バルブの開度を変更することによって、温度帯域維持制御を行うことができる。また、温度帯域維持制御において、燃料供給量が変更される前に排気バルブの開度を変更することによって温度が操作されるので、不要な燃料供給量の変更を抑制することができる。さらに、燃料電池モジュールは、一般に、熱容量が極めて大きく、温度変化が緩慢であるため、フィードバック制御による温度帯域維持制御が困難であり、燃料供給量の不要な変更により燃料電池モジュールに悪影響を与える場合がある。上記のように構成された本発明によれば、まず、排気バルブの開度の変更により温度が制御されるので、温度帯域維持制御のために不要な燃料が消費されるのを防止すると共に、不要な燃料供給量の増加のために、過昇温等の悪影響が生じるのを防止することができる。
【００２６】
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料電池モジュールによる発電を停止させる発電停止工程において、燃料供給手段による燃料の供給を停止させた後も、発電用酸化剤ガス供給手段による酸化剤ガスの供給を継続させると共に、排気バルブの開度を大きくする。
【００２７】
このように構成された本発明によれば、発電停止工程において、酸化剤ガスの供給が継続されると共に、排気バルブの開度が大きくされるので、発電停止工程における排気通路の流路抵抗が低下される。これにより、酸化剤ガスの供給による燃料電池モジュール内の圧力上昇を抑制することができ、燃料電池セルスタックの燃料極側への酸化剤ガスの逆流を抑制し、逆流による燃料電池セルスタック損傷のリスクを低減することができる。
【００２８】
本発明において、好ましくは、更に、排気通路に設けられ、排気ガスの熱を回収するための熱交換器と、この熱交換器をバイパスするように設けられたバイパス通路と、を有し、排気バルブは、バイパス通路の流路抵抗を可変するように、バイパス通路に配置され、制御手段は、運転停止工程において排気バルブの開度を大きくする。
【００２９】
このように構成された本発明によれば、熱交換器をバイパスするバイパス通路を備えているので、熱交換器の流路抵抗とは無関係に、排気ガスの流路抵抗を低く構成することができる。このため、運転停止工程において排気バルブの開度を大きくすることにより、酸化剤ガス逆流のリスクをより低減することが可能になる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、排気ガス性能等の様々な要求を満足しながら、燃料電池モジュール内の温度を十分に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】燃料電池モジュールの内部、及び燃料電池モジュールから排出される排気ガスの流れを模式的に示す図である。
【図９】排気バルブの構造を模式的に示す断面図であり、（ａ）全開の状態、及び（ｂ）最も開度が小さくされた状態を示している。
【図１０】起動工程における排気バルブの制御フローチャートである。
【図１１】起動工程の各段階における排気バルブの開度を示すグラフである。
【図１２】発電工程における発電電力と燃料供給量の関係を示す燃料供給テーブルである。
【図１３】発電工程における発電電力と排気バルブの開度の関係を示すグラフである。
【図１４】発電工程における排気バルブの制御フローチャートである。
【図１５】発電停止工程の一例を示すタイムチャートである。
【図１６】発電停止工程における排気バルブの開度を示すタイムチャートである。
【図１７】本発明の変形実施形態による固体酸化物型燃料電池の排気経路を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００３３】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して密封空間８が形成されている。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料と酸化剤（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４（図５参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図４参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
【００３４】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料と残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料を改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、改質器２０の熱を受けて空気を加熱し、改質器２０の温度低下を抑制するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００３５】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００３６】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００３７】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿って断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。
【００３８】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、これらの蒸発部２０ａと改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。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や、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。
【００３９】
この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。
【００４０】
このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。
【００４１】
次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。
また、図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【００４２】
次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００４３】
燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００４４】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉ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、Ｎｉ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、Ｎｉ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ドとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００４５】
電解質層９４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、の少なくとも一種から形成される。
【００４６】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた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から選ばれた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から選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００４７】
次に図５により燃料電池セルスタック１４について説明する。図５は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図５に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。
【００４８】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極層９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極層９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
【００４９】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図５では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。
【００５０】
次に図６により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池１は、制御部１１０を備え、この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。なお、この報知装置１１６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
【００５１】
次に、制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ１２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ１２２は、本来排気ガス通路８０等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ１２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
【００５２】
電力状態検出センサ１２６は、インバータ５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ１２８は、発電室１０に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ１３０は、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ１３２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
【００５３】
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水の流量を検出するためのものである。
水位センサ１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
【００５４】
発電室温度センサ１４２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排気ガス室７８の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
【００５５】
これらのセンサ類からの信号は、制御部１１０に送られ、制御部１１０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
【００５６】
次に図７により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）による起動時の動作を説明する。図７は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール２を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール２を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール２は発電を行わない。
【００５７】
先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を第１ヒータ４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を第２ヒータ４８を経由して燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。
【００５８】
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器２２内の発電用空気も暖める。
【００５９】
このとき、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器２０に供給されているので、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管６４により燃料電池セルスタック１４の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック１４が下方から加熱され、また、燃焼室１８も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック１４は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック１４は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても、燃焼室１８では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。
【００６０】
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （１）
【００６１】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により改質器２０が所定温度（例えば、６００℃）になったことを検知したとき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器２０に供給する。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。
【００６２】
式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
【００６３】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2       （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （３）
【００６４】
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール２の起動の最終段階であるため、発電室１０内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室１０が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応ＳＲが進行しても、燃焼室１８では継続して燃焼反応が進行する。
【００６５】
このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００６６】
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル８４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室１８での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。
【００６７】
次に、図２及び図３を再び参照して、熱交換器である空気用熱交換器２２の構造を詳細に説明する。
空気用熱交換器２２は、燃料電池モジュール２内の燃焼室１８の上部、改質器２０の上方に配置された熱交換器である。空気用熱交換器２２は、燃焼室１８内で燃焼され、排気として排出される燃焼ガスの熱を回収、利用して、燃料電池モジュール２内に導入された発電用の空気を予熱するように構成されている。
【００６８】
図２及び図３に示すように、空気用熱交換器２２は、複数の燃焼ガス配管７０と発電用空気流路７２と、を有する。また、空気用熱交換器２２の底面には、整流板２１が取り付けられており、この整流板２１には開口２１ａが設けられている。さらに、図２に示すように、複数の燃焼ガス配管７０の一方の端部には、排気ガス集約室７８が設けられており、この排気ガス集約室７８は、各燃焼ガス配管７０に連通されている。また、排気ガス集約室７８には、排気ガス排出管８２が接続されている。さらに、各燃焼ガス配管７０の他方の端部は開放されており、この開放された端部は、燃焼室１８に連通されている。
【００６９】
燃焼ガス配管７０は、水平方向に向けられた複数の金属製の円管であり、各円管は夫々平行に配置されている。一方、発電用空気流路７２は、各燃焼ガス配管７０の外側の空間によって構成されている。また、発電用空気流路７２の一方の端部上方には、発電用空気導入管７４が接続されており、燃料電池モジュール２の外部の空気は、発電用空気導入管７４を通って発電用空気流路７２に導入される。さらに、発電用空気流路７２の他方の端部の両側面には、一対の連絡流路７６が接続されており、発電用空気流路７２と各連絡流路７６は、夫々、出口ポート７６ａを介して連通されている。
【００７０】
図３に示すように、燃料電池モジュール２の両側面には、発電用空気供給路７７が夫々設けられている。空気用熱交換器２２の両側面に設けられた各連絡流路７６は、燃料電池モジュール２の両側面に設けられた発電用空気供給路７７の上部に夫々連通されている。また、各発電用空気供給路７７の下部には、多数の吹出口７７ａが水平方向に並べて設けられている。各発電用空気供給路７７を通って供給された発電用の空気は、多数の吹出口７７ａから、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルスタック１４の下部側面に向けて噴射される。
【００７１】
次に、図８を新たに参照して、固体酸化物型燃料電池１の発電運転時における燃料、発電用空気、及び排気ガスの流れを説明する。図８は、燃料電池モジュール２の内部、及び燃料電池モジュール２から排出される排気ガスの流れを模式的に示す図である。
【００７２】
まず、発電時においては、図８に示すように、燃料が被改質ガス導入管６２を介して改質器２０の蒸発部２０ａに導入されると共に、純水が純水導入管６０を介して蒸発部２０ａに導入される。発電運転中においては、蒸発部２０ａは高温に加熱されているため、蒸発部２０ａに導入された純水は、比較的速やかに蒸発され水蒸気となる。蒸発された水蒸気及び燃料は、蒸発部２０ａ内で混合され、改質器２０の改質部２０ｂに流入する。水蒸気と共に改質部２０ｂに導入された燃料は、ここで水蒸気改質され、水素を豊富に含む燃料ガスに改質される。改質部２０ｂにおいて改質された燃料は、燃料ガス供給管６４を通って下方に下り、分散室であるマニホールド６６に流入する。
【００７３】
マニホールド６６は、燃料電池セルスタック１４の下側に配置された比較的体積の大きい直方体状の空間であり、その上面に設けられた多数の穴が燃料電池セルスタック１４を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側に連通している。マニホールド６６に導入された燃料は、その上面に設けられた多数の穴を通って、燃料電池セルユニット１６の燃料極側、即ち、燃料電池セルユニット１６の内部を通って、その上端から流出する。また、燃料である水素ガスが燃料電池セルユニット１６の内部を通過する際、空気極（酸化剤ガス極）である燃料電池セルユニット１６の外側を通る空気中の酸素と反応して電荷が生成される。この発電に使用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出し、燃料電池セルスタック１４の上方に設けられた燃焼室１８内で燃焼される。
【００７４】
一方、酸化剤ガスである発電用の空気は、発電用酸化剤ガス供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５によって、発電用空気導入管７４を介して燃料電池モジュール２内に送り込まれる。燃料電池モジュール２内に送り込まれた空気は、発電用空気導入管７４を介して空気用熱交換器２２の発電用空気流路７２に導入され、予熱される。予熱された空気は、各出口ポート７６ａ（図３）を介して各連絡流路７６に流出する。各連絡流路７６に流入した発電用の空気は、燃料電池モジュール２の両側面に設けられた発電用空気供給路７７を通って下方に流れ、多数の吹出口７７ａから、燃料電池セルスタック１４に向けて発電室１０内に噴射される。
【００７５】
発電室１０内に噴射された空気は、燃料電池セルスタック１４の空気極側（酸化剤ガス極側）である各燃料電池セルユニット１６の外側面に接触し、空気中の酸素の一部が発電に利用される。また、吹出口７７ａを介して発電室１０の下部に噴射された空気は、発電に利用されながら発電室１０内を上昇する。発電室１０内を上昇した空気は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料を燃焼させる。この燃焼による燃焼熱は、燃料電池セルスタック１４の上方に配置された改質器２０を加熱する。燃料が燃焼され、生成された燃焼ガスは、上方の改質器２０を加熱した後、改質器２０上方の開口２１ａを通って整流板２１の上側に流入し、整流板２１によって、各燃焼ガス配管７０の開放された端部に導かれる。各燃焼ガス配管７０に流入した燃焼ガス等は、各燃焼ガス配管７０外側の発電用空気流路７２を流れる発電用空気との間で熱交換を行い、排気ガス集約室７８に集約される。排気ガス集約室７８に集約された排気ガスは、排気ガス排出管８２を介して燃料電池モジュール２の外部に排出される。これにより、改質器２０内における吸熱反応である水蒸気改質反応が促進されると共に、空気用熱交換器２２内の発電用空気が予熱される。
【００７６】
図８に示すように、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出した燃料が燃焼された燃焼ガス、及び発電及び燃焼に利用されずに残った発電用空気は、排気ガスとして、排気通路である排気ガス排出管８２を通って燃料電池モジュール２から流出する。続いて、燃料電池モジュール２から流出した排気ガスは、排気ガス排出管８２に設けられた排気バルブ８５を通って、排熱回収用の熱交換器である温水製造装置５０に流入する。温水製造装置５０に流入した排気ガスは、貯湯タンク２５内の湯水を加熱した後、大気中に放出される。
【００７７】
次に、図９を参照して、排気ガス排出管８２に設けられた排気バルブ８５の構造を説明する。図９は、排気バルブ８５の構造を模式的に示す断面図であり、（ａ）に全開の状態を、（ｂ）に最も開度が小さくされた状態を示している。
【００７８】
排気バルブ８５は、排気ガス排出管８２の途中に設けられた弁であり、排気ガスが流れる排気ガス排出管８２の流路抵抗を可変するように構成されている。図９に示すように、排気バルブ８５は、排気バルブ弁体８５ａと、この排気バルブ弁体８５ａを回動可能に支持するシャフト８５ｂと、排気バルブ弁体８５ａを開弁方向に付勢するコイルバネ８５ｃと、排気バルブ弁体８５ａを駆動するアクチュエータ８５ｄと、を有する。さらに、排気バルブ８５は、排気バルブ弁体８５ａが完全に閉鎖される位置まで移動されるのを、機械的に防止するストッパ突起８５ｅを備えている。
【００７９】
排気バルブ弁体８５ａは、シャフト８５ｂにより回動可能に支持された弁体であり、図９（ａ）に示す全開の状態と、（ｂ）に示す最も開度が小さい状態の間で回動される。
【００８０】
コイルバネ８５ｃは、排気バルブ弁体８５ａが、図９（ａ）に示す全開の状態に回動されるように付勢力を作用させるバネである。このコイルバネ８５ｃの付勢力により、アクチュエータ８５ｄが作動されていない状態においては、排気バルブ弁体８５ａは、図９（ａ）の全開の状態に移動される。従って、固体酸化物型燃料電池１に、これを作動させる電力が供給されていない状態、又は、アクチュエータ８５ｄが故障した場合には、排気バルブ８５は機械的に全開の状態にされる。
【００８１】
アクチュエータ８５ｄは、制御部１１０（図６）から送られた制御信号に基づいて、コイルバネ８５ｃの付勢力に抗して排気バルブ弁体８５ａを回動させ、排気バルブ８５の開度を変更するように構成されている。
【００８２】
ストッパ突起８５ｅは、回動する排気バルブ弁体８５ａと干渉する位置に設けられた突起である。ストッパ突起８５ｅは、排気バルブ弁体８５ａが全閉の位置まで回動されようとすると、排気バルブ弁体８５ａと干渉して、排気バルブ弁体８５ａが全閉の位置まで回動されるのを機械的に阻止するように構成されている。これにより、制御部１１０、アクチュエータ８５ｄ等の故障、又は誤作動により、排気バルブ８５が全閉になることが確実に防止され、密閉された燃料電池モジュール２内に水素ガス等の燃料ガスが充満する危険を回避することができる。
【００８３】
次に、固体酸化物型燃料電池１の各運転工程における排気バルブ８５の制御を説明する。
まず、図１０及び図１１を新たに参照すると共に、図７を再び参照して、固体酸化物型燃料電池１の起動工程における排気バルブ８５の制御を説明する。図１０は、起動工程における排気バルブの制御フローチャートである。図１１は、起動工程の各段階における排気バルブの開度を示すグラフである。
【００８４】
図７に示す起動工程においては、常温の状態にある燃料電池セルスタック１４の温度を、発電が可能な温度まで上昇させる。まず、図７の時刻ｔ０において、発電用空気及び改質用空気の供給が開始される。具体的には、制御手段である制御部１１０が、発電用酸化剤ガス供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送って、これを作動させる。上述したように、発電用空気は、発電用空気導入管７４を介して燃料電池モジュール２内に導入され、空気用熱交換器２２、発電用空気供給路７７を経て発電室１０内に流入する。また、制御部１１０は、改質用酸化剤ガス供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送って、これを作動させる。燃料電池モジュール２内に導入された改質用空気は、改質器２０、マニホールド６６を経て、各燃料電池セルユニット１６の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻ｔ０においては、まだ燃料が供給されていないため、改質器２０内において部分酸化改質反応は発生しない。
【００８５】
次いで、時刻ｔ０から所定時間後の時刻ｔ１において、燃料の供給が開始される。具体的には、制御部１１０が、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、これを作動させる。燃料電池モジュール２内に導入された燃料は、改質器２０、マニホールド６６を経て、各燃料電池セルユニット１６の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻ｔ１においては、まだ改質器の温度が低温であるため、改質器２０内において部分酸化改質反応は発生しない。
【００８６】
次に、時刻ｔ１から所定時間後の時刻ｔ２において、供給されている燃料への着火が行われる。具体的には、制御部１１０が、着火手段である点火装置８３（図２）に信号を送り、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料に着火させる。この着火段階において、図１０のフローチャートに基づいて、排気バルブ８５及び点火装置８３が制御される。図１０は、排気バルブ８５の制御フローチャートであり、起動工程において所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００８７】
まず、図１０のステップＳ１においては、着火すべき時機であるか否かが判断される。具体的には、図７における時刻ｔ２に到達し、着火を行う準備が完了しているか否かが判断される。着火すべき時機でない場合には、図１０のフローチャートの一回の処理を終了する。
【００８８】
着火すべき時機が到来している場合には、ステップＳ２に進み、ステップＳ２においては、排気バルブ８５の開度が最小にされる。具体的には、制御部１１０が、排気バルブ８５のアクチュエータ８５ｄに信号を送って排気バルブ弁体８５ａを回動させ、排気バルブ８５の開度を最小にする。ただし、上述したように、排気バルブ８５は、機械的に完全な閉鎖が不可能な構造を有しており、固体酸化物型燃料電池１の運転中において、完全に閉鎖されることはない。排気バルブ８５の開度が最小にされることにより、燃料電池モジュール２からの排気抵抗が増大するため、燃料電池モジュール２の発電室１０内を流れる燃料及び空気の流速が低下される。これにより、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料は、着火されやすい状態となる。
【００８９】
次に、図１０のステップＳ３においては、排気バルブ８５の開度が最小にされた後、所定時間が経過しているか否かが判断され、所定時間が経過するまでこの処理が繰り返される。即ち、排気バルブ８５の開度を最小にした直後では、発電室１０内の気流が安定していないため、所定時間経過するまで待機して気流を安定させる。本実施形態においては、排気バルブ８５の開度が最小にされた後、５秒間待機した後、ステップＳ４に進む。
【００９０】
ステップＳ４においては、制御部１１０が点火装置８３に信号を送り、点火装置８３を作動させ、着火を開始する。点火装置８３は、燃料電池セルスタック１４の上端近傍で繰り返し火花を発生させ、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料に着火させる。
【００９１】
次に、ステップＳ５においては、着火に失敗したか否かが判断される。本実施形態においては、ステップＳ４において着火が開始された後、所定時間経過しても着火の完了が確認されない場合に、着火に失敗したと判定される。本実施形態においては、着火開始後、１２０秒経過しても着火の完了が確認されない場合に、着火に失敗したと判定される。着火に失敗していない場合にはステップＳ６に進み、着火に失敗した場合にはステップＳ７に進む。
【００９２】
ステップＳ６においては、制御部１１０に内蔵された着火判定手段１１０ａ（図６）により、着火が完了したか否か、即ち、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料が継続的に燃焼される状態となっているか否かが判断される。着火が完了した場合には、ステップＳ８に進み、着火が完了していない場合にはステップＳ５に戻る。以後、着火が完了したことが判断され、又は、着火に失敗したことが判断されるまで、ステップＳ５、Ｓ６の処理が繰り返される。具体的には、着火判定手段１１０ａは、燃料電池セルスタック１４の上端近傍に配置された温度検出手段である発電室温度センサ１４２により検出された温度に基づいて、着火が完了したか否かを判断する。或いは、燃料電池モジュール２からの排気の温度を検出する排気温度センサ１４０（図６）の検出温度、改質器２０の温度を検出する改質器温度センサ１４８（図６）の検出温度、又は複数の検出温度の組み合わせに基づいて、着火が完了したか否かを判断するように本発明を構成することもできる。
【００９３】
一方、ステップＳ５において着火に失敗したことが判定された場合には、ステップＳ７に進み、ステップＳ７においては、所定時間、排気バルブ８５が全開にされ、図１０のフローチャートの一回の処理を終了する。本実施形態においては、３秒間排気バルブ８５が全開にされる。即ち、ステップＳ２において排気バルブ８５の開度を最小にした後、燃料を供給し続け、着火を試みているにも関わらず、長い時間着火に成功していない場合には、発電室１０内に滞留する燃料の量が過剰になり、着火された際に異常燃焼を起こす虞がある。このため、着火に失敗したことが判定された場合には一旦排気バルブ８５が全開にされ、発電室１０内に滞留している燃料が排出される。その後、次に図１０のフローチャートが実行された際に、排気バルブ８５の開度が最小にされ、再び着火操作が行われる。
【００９４】
一方、ステップＳ６において着火が完了したことが判定された場合には、ステップＳ８に進み、ステップＳ８においては、着火以後（図７における時刻ｔ２以降）の起動工程が実行される。
【００９５】
図７の時刻ｔ２において着火が行われた後、起動工程においては、発電室１０内の燃料電池セルスタック１４の温度上昇に応じて、改質器２０内で種々の改質反応が行われる。まず、時刻ｔ２〜ｔ４の間は燃焼運転が行われ、この間は、各燃料電池セルユニット１６の上端における燃料の燃焼のみによって発電室１０内が加熱される。さらに、時刻ｔ４〜ｔ６の間は、改質器２０内で部分酸化改質反応が発生するＰＯＸ運転が実行される。なお、本実施形態においては、ＰＯＸ運転は、燃料供給量の多いＰＯＸ１運転と、燃料供給量が減少されたＰＯＸ２運転の二段階で実行される。
【００９６】
また、時刻ｔ６〜ｔ８の間は、改質器２０内で部分酸化改質反応及び水蒸気改質反応の両方が発生するオートサーマル改質反応であるＡＴＲ運転が実行される。なお、本実施形態においては、ＡＴＲ運転も、燃料供給量の多いＡＴＲ１運転と、燃料供給量が減少されたＡＴＲ２運転の二段階で実行される。さらに、時刻ｔ８〜ｔ１０の間は、改質器２０内で水蒸気改質反応のみが発生するＳＲ運転が実行される。なお、本実施形態においては、ＳＲ運転も、燃料供給量の多いＳＲ１運転と、燃料供給量が減少されたＳＲ２運転の二段階で実行される。このように、起動工程中においては、燃料電池モジュール２内の温度上昇に応じて、燃焼運転、ＰＯＸ１運転、ＰＯＸ２運転、ＡＴＲ１運転、ＡＴＲ２運転、ＳＲ１運転、ＳＲ２運転が順次実行される。
【００９７】
制御部１１０は、これらの各段階において、図１１に示すように、排気バルブ８５の開度を変更する。図１１に示すように、着火後、ＡＴＲ１運転が終了するまでは、排気バルブ８５は、最小の開度に維持される。次いで、ＡＴＲ２運転、ＳＲ１運転、ＳＲ２運転が行われる際に、順次排気バルブ８５の開度が大きくされる。このように、起動工程において、燃料電池モジュール２内の温度が低いときは、温度が高いときよりも排気バルブ８５の開度を小さくすることにより、排気ガスと共に燃料電池モジュール２から流出する熱量を抑制し、燃料電池セルスタック１４の温度上昇を促進することができる。
【００９８】
次に、図１２乃至図１４を参照して、固体酸化物型燃料電池１の発電工程における排気バルブ８５の制御を説明する。
図１２は、発電工程における発電電力と燃料供給量の関係を示す燃料供給テーブルである。図１３は、発電工程における発電電力と排気バルブの開度の関係を示すグラフである。図１４は、発電工程における排気バルブの制御フローチャートである。
【００９９】
本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１は、需要電力に応じて発電電力を変更する可変出力型の燃料電池である。制御部１１０は、需要電力の増減に応じて発電電力を変更することができるように、燃料流量調整ユニット３８を制御する。発電すべき電力に対する燃料供給量は、各発電電力に対し、図１２に示す燃料供給テーブルにより予め設定されている。この燃料供給テーブルにより設定されている燃料供給量には、発電に消費される燃料と、燃料電池モジュール２内を発電可能な適正温度に維持するために使用される燃料が含まれている。燃料流量調整ユニット３８から燃料電池モジュール２内の改質器２０に供給され、改質された燃料は、各燃料電池セルユニット１６の燃料極側に流入し、ここで発電に利用される。発電に利用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出し、そこで燃焼されることにより、燃料電池モジュール２内の加熱に利用される。
【０１００】
発電電力が少ない領域においては発電により各燃料電池セルユニット１６が発生する発電熱が少なく、また、燃料電池モジュール２内の温度維持には所定量の残余燃料を燃焼させる必要があるため、発電電力が少ない場合には、供給された燃料のうちの発電に利用される燃料の割合が少なくなる。即ち、燃料供給量に対する発電に利用される燃料の割合である燃料利用率は、発電電力が小さい領域では低く、発電電力が大きい領域では高くなる。
【０１０１】
また、排気バルブ８５の開度も、発電電力に応じて制御されている。図１３に示すように、排気バルブ８５の開度は、発電電力が大きい領域においては大きく、発電電力が小さい領域においては小さくなるように制御される。即ち、排気バルブ８５の開度が小さくされると、燃料電池モジュール２内で生成された燃焼ガス、及び燃料電池モジュール２内に供給され、発電に使用されずに残った発電用空気が燃料電池モジュール２外へ排出される際の流路抵抗が大きくなる。このため、排気バルブ８５の開度が小さくされると、燃料電池モジュール２内の熱が外部に逃げにくくなり、温度維持のために燃焼させる残余燃料を少なく設定することが可能になる。本実施形態においては、燃料電池モジュール２内の温度が低下しやすい低発電電力の領域において、排気バルブ８５の開度を小さく設定することにより、開度を大きく設定した場合と比較して、低発電電力の領域における燃料利用率を高く設定することが可能になっている。
【０１０２】
制御部１１０は、需要電力に基づいて、図１２の燃料供給テーブルを使用して燃料供給量を決定し、決定された量の燃料が供給されるように、燃料流量調整ユニット３８を制御する。さらに、制御部１１０は、発電電力の制御と併行して、燃料電池モジュール２内の温度を所定の温度帯域に維持する温度帯域維持制御を実行する。温度帯域維持制御においては、制御部１１０は、燃料電池モジュール２内の温度が適正温度範囲に入るように、燃料供給テーブルに基づいて決定された燃料供給量を補正して増減させると共に、排気バルブ８５の開度を補正する。即ち、燃料供給テーブルによる設定燃料供給量よりも燃料を増加させた場合には、発電に利用されずに残る残余燃料が増加し、この残余燃料により燃料電池モジュール２内が加熱されるので、温度を上昇傾向にすることができる。逆に、燃料供給量を減少させた場合には、残余燃料が減少するので、温度を低下傾向にすることができる。また、排気バルブ８５の開度を変更することによっても、り燃料電池モジュール２内の温度を操作することができる。ただし、残余燃料が０以下、即ち、燃料利用率が１以上になるように燃料供給量が補正されることはない。また、燃料利用率が所定の範囲から外れた場合や、排気の流路抵抗が大き過ぎる場合には、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる一酸化炭素等の有害なガスの濃度が上昇してしまう。このため、有害なガスの濃度が所定値以下に抑制されるように、燃料供給量及び排気バルブ８５の開度の補正が制限される。
【０１０３】
次に、図１４を参照して、発電工程における排気バルブ８５の制御を具体的に説明する。図１４は、発電工程における温度維持制御のフローチャートであり、発電工程中において、所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【０１０４】
まず、図１４のステップＳ１１においては、燃料電池モジュール２内の温度が適正温度範囲内にあるか否かが判断される。なお、本実施形態においては、７２３℃乃至７３７℃が適正な温度範囲として設定されている。燃料電池モジュール２内の温度が適正温度範囲内にある場合にはステップＳ１５に進み、適正温度範囲内にない場合にはステップＳ１２に進む。
【０１０５】
次いで、ステップＳ１２においては、燃料電池モジュール２内の温度が過冷却であるか否かが判断される。具体的には、燃料電池モジュール２内の温度が下限の温度である７２３℃未満である場合にはステップＳ１３に進み、それ以外の場合にはステップＳ１３に進む。
【０１０６】
ステップＳ１３においては、燃料電池モジュール２内の温度の過冷却に対する対策が実行される。上記のように、燃料電池モジュール２内の温度が低い場合には、温度を上昇させるべく、燃料供給量を図１２により決定された量よりも増量補正することが考えられる。しかしながら、本実施形態における温度維持制御では、燃料供給量を増量補正する前に、排気バルブ８５の開度を低下させつつ、燃料電池モジュール２内の温度の動向を監視する。具体的には、ステップＳ１３においては、制御部１１０は、図１３に基づいて設定されている排気バルブ８５の開度を１５％低下させ、その状態を３分間維持して燃料電池モジュール２内の温度の動向を監視する。排気バルブ８５の開度を低下させることにより、燃料電池モジュール２内を流れる空気の流速が低下し、燃料電池モジュール２内の温度を上昇傾向とすることができる。排気バルブ８５の開度を１５％低下させた後、３分経過し、燃料電池モジュール２内の温度が上昇し始めている場合には、燃料供給量の増量補正は実行せず、排気バルブ８５の開度を低下させた状態が維持される。一方、排気バルブ８５の開度を１５％低下させた後、３分経過した後も温度が上昇し始めない場合には、図１２に基づいて決定された燃料供給量が、所定の割合で増量補正される。
【０１０７】
このように、燃料電池モジュール２内の温度が低下した場合において、燃料供給量の増量補正を一旦保留し、排気バルブ８５の開度を補正することにより、燃料の不要な増量補正を回避することができると共に、燃料供給量の頻繁な変更により、燃料電池モジュール２の運転が不安定になるのを防止することができる。また、排気バルブ８５の開度を補正した後、所定時間経過しても温度が回復傾向に向かわない場合には、燃料供給量を増量補正することにより、燃料電池モジュール２内の温度を確実に適正範囲に復帰させることができる。さらに、排気バルブ８５の開度を補正した後、所定時間その状態を維持し、燃料電池モジュール２内の温度を監視することにより、熱容量が極めて大きく、温度変化が極めて緩慢な燃料電池モジュール２の温度の動向を正確に判断することができる。
【０１０８】
一方、ステップＳ１２において、燃料電池モジュール２内の温度が過冷却でないと判断された場合、具体的には、燃料電池モジュール２内の温度が上限の温度である７３７℃よりも高い場合にはステップＳ１４に進む。ステップＳ１４においては、燃料電池モジュール２内の温度の過昇温に対する対策が実行される。上記のように、燃料電池モジュール２内の温度が高い場合には、燃料供給量を減量補正することが考えられるが、本実施形態における温度維持制御では、燃料供給量を減量補正する前に、排気バルブ８５の開度を増加させつつ、燃料電池モジュール２内の温度の動向を監視する。
【０１０９】
具体的には、ステップＳ１４においては、制御部１１０は、図１３に基づいて設定されている排気バルブ８５の開度を５％増加させ、その状態を５分間維持して燃料電池モジュール２内の温度の動向を監視する。排気バルブ８５の開度を増加させることにより、燃料電池モジュール２内の温度を低下傾向とすることができる。排気バルブ８５の開度を５％増加させた後、５分経過し、燃料電池モジュール２内の温度が低下し始めている場合には、燃料供給量の減量補正は実行せず、排気バルブ８５の開度を増加させた状態が維持される。一方、排気バルブ８５の開度を５％増加させた後、５分経過した後も温度が低下し始めない場合には、燃料供給量が所定の割合で減量補正される。このように、燃料電池モジュール２内の温度が上昇した場合において、燃料供給量の減量補正を一旦保留し、排気バルブ８５の開度を補正することにより、燃料供給量の頻繁な変更により、燃料電池モジュール２の運転が不安定になるのを防止することができる。
【０１１０】
なお、ステップＳ１３及びＳ１４における燃料供給量及び排気バルブ８５の開度の補正は、排気ガス中に含まれる有害なガスの濃度が所定値以下に抑制されるように制限される。
【０１１１】
一方、ステップＳ１１において、燃料電池モジュール２内の温度が適正温度範囲内にあると判断された場合にはステップＳ１５に進む。ステップＳ１５においては、燃料供給量及び排気バルブ８５の開度の補正は実行せず、図１２及び図１３に基づいて設定された燃料供給量及び排気バルブ８５の開度がそのまま維持される。しかしながら、ステップＳ１５が実行される直前まで燃料供給量、排気バルブ８５の開度の補正が行われていた場合には、補正されていた燃料供給量及び開度を直ちに補正前の設定値に戻すのではなく、燃料供給量及び開度を少しずつ変化させて補正前の設定値に移行させる。
【０１１２】
次に、図１５及び図１６を参照して、固体酸化物型燃料電池１の発電停止工程における排気バルブ８５の制御を説明する。
図１５は、発電停止工程の一例を示すタイムチャートである。図１６は、発電停止工程における排気バルブの開度を示すタイムチャートである。
発電中の固体酸化物型燃料電池の発電を停止させる発電停止工程は、発電可能な高温に維持されていた燃料電池モジュール２内の温度を、早急にメンテナンス等が可能な温度まで低下させることを目的として行われる。この発電停止工程には、発電停止後も燃料の供給を一定期間継続するものと、発電停止直後に燃料の供給を停止させるシャットダウン停止が知られている。
【０１１３】
発電停止後も燃料の供給を継続するタイプの発電停止工程においては、発電が停止された後、即ち、燃料電池モジュール２からの電力の取り出しが停止された後も、燃料及び発電用の空気の供給が一定期間継続される。このように、発電が停止された後、燃料及び空気の供給を継続しながら燃料電池モジュール２内の燃料電池セルスタック１４の温度を、燃料電池セルユニット１６の酸化温度未満に低下させ、その後、燃料の供給を停止させる。さらに、燃料電池モジュール２内の温度が十分に低下するまで発電用空気の供給が継続される。このタイプの発電停止工程では、燃料電池セルスタック１４の温度が酸化温度未満に低下するまで燃料の供給を継続することにより、各燃料電池セルユニット１６の空気極側に供給された空気が燃料極側に逆流し、燃料電池セルユニット１６の燃料極が酸化されるのを確実に防止している。
【０１１４】
一方、発電停止直後に燃料の供給を停止させるシャットダウン停止による発電停止工程においては、燃料の供給停止後、単純に発電用空気の供給を継続すると、燃料電池セルユニット１６の燃料極を酸化させ、損傷する危険がある。本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、図１５に示すように、発電停止工程として、シャットダウン停止が採用されている。
【０１１５】
まず、図１５の時刻ｔ１０１において、停止前処理が開始される。停止前処理においては、まず、燃料電池モジュール２による発電電力のインバータ５４への出力が停止される。これにより、図１５に細い一点鎖線で示すように、燃料電池モジュール２から取り出される電流が急速に低下する。なお、停止前処理においては、燃料電池モジュール２からインバータ５４への電流出力は停止されるが、固体酸化物型燃料電池１の補機ユニット４を作動させるための微弱な電流（１Ａ程度）の取り出しは、継続される。このため、時刻ｔ１０１において発電電流が大幅に低下した後も、停止前処理中においては燃料電池モジュール２から微弱な電流が取り出される。また、図１５に細い破線で示すように、燃料電池モジュール２の出力電圧は、取り出される電流の低下と共に上昇する。このように、停止前処理中においても微弱な電流の取り出しを継続することにより、供給された燃料の一部が発電に使用されるため、発電に使用されずに残る余剰燃料の著しい増加が回避され、燃料電池モジュール２内の温度上昇が抑制される。
【０１１６】
さらに、停止前処理においては、時刻ｔ１０１の後、図１５に太い破線で示す燃料供給量、及び細い実線で示す改質用の水の供給量が直線的に低下される。一方、発電用の空気供給量は直線的に増加される。このように、空気供給量を増加させることにより、改質器２０から熱を奪い、改質器温度の上昇を抑制している。加えて、図１６に示すように、時刻ｔ１０１において制御部１１０は、排気バルブ８５のアクチュエータ８５ｄに信号を送り、排気バルブ弁体８５ａを全開にする。即ち、発電工程においては、発電電力に応じて図１３に基づいて設定されていた排気バルブ８５の開度が、発電停止工程において大きく、全開にされ、排気ガス排出管８２の流路抵抗が最小にされる。これにより、燃料電池モジュール２内に供給された発電用空気が、排出されやすくなる。
【０１１７】
続いて、図１５に示す例では、時刻ｔ１０１から約２０秒後の時刻ｔ１０２において、燃料供給量及び水供給量が、燃料電池モジュール２から取り出されている微弱な電流に対応した供給量まで低下され、その後、低下された供給量が維持される。このように、停止前処理として、燃料供給量及び水供給量を低下させておくことにより、燃料供給の完全停止時に大流量の燃料が急激に停止されることによる燃料電池モジュール２内の気流の乱れや、燃料供給の完全停止後における大量の燃料の改質器２０、マニホールド６６内への残留を防止している。なお、時刻ｔ１０１の後、燃料供給量が減少されているが、燃料電池モジュール２の熱容量は極めて大きいため、図１５に太い実線で示す燃料電池モジュール２内の温度は、図１５に示されている時間の範囲では全く変化していない。また、停止前処理中においては、インバータ５４への電流出力は停止されているものの、燃料及び水の供給が継続されているため、発電用の空気の供給を継続しても、各燃料電池セルユニット１６内部の燃料極側へ空気が逆流することはない。従って、安全に空気の供給を継続することができる。
【０１１８】
次に、図１５に示す例では、停止前処理が開始された時刻ｔ１０１から約２５秒後の時刻ｔ１０４において、燃料供給量及び改質用の水供給量がゼロにされ、燃料電池モジュール２からの取り出し電流もゼロにされている。
【０１１９】
さらに、図１５に示す例では、時刻ｔ１０４における燃料供給の停止後も、停止後処理として、発電用空気の供給（ただし、発電は完全に停止されている）が継続されている。上述したように、燃料供給が完全に停止された後、燃料電池セルスタック１４の温度が酸化温度未満に低下するまでは、燃料極を酸化させ、損傷する危険があるため、空気の供給は必ず停止されていた。しかしながら、燃料供給を停止した直後でも、所定時間の間は安全に空気極側に発電用の空気を供給できることが、本件発明者により見出された。本実施形態においては、時刻ｔ１０４において、燃料供給が完全に停止された後、所定の補正用酸化剤ガス供給時間である約５分経過している時刻ｔ１０５まで、大量の発電用空気の供給が継続されている。また、発電用の空気供給量は、停止前処理中の時刻ｔ１０１〜ｔ１０４において、最大の空気供給量まで増加され、その後、最大値に維持される。なお、本実施形態において、最大の空気供給量は、８０Ｌ／ｍｉｎである。
【０１２０】
このように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、燃料供給の停止直後にも安全に大量の発電用空気の供給を継続することができる。これは、図１６に示すように、発電停止工程開始時の時刻ｔ１０１において、排気バルブ８５が全開にされ、排気ガス排出管８２の流路抵抗が最小にされているためである。即ち、排気バルブ８５が全開にされると、燃料電池モジュール２内に供給された発電用空気が排気ガス排出管８２を通って容易に排出されるため、各燃料電池セルユニット１６の上端から燃料電池セルユニット１６内部への発電用空気の逆流が発生しにくくなる。
【０１２１】
加えて、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８による燃料の供給が停止された後も、改質器２０及びマニホールド６６の内部、及びこれらを接続する管路内に燃料が残存しており、この燃料が各燃料電池セルユニット１６の上端から流出するためである。即ち、燃料供給の停止後も、各燃料電池セルユニット１６の上端では、マニホールド６６等の内部に残存している燃料が少しずつ流出することにより燃焼が維持される。この燃焼による炎が、マニホールド６６等の内部に残存している燃料を少しずつ引き出すと共に、各燃料電池セルユニット１６上端の「蓋」のように作用する。これにより、各燃料電池セルユニット１６外部の空気の、燃料極側への拡散が抑制される。また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、マニホールド６６の内容積を適正に設定することにより、発電用空気の大量な供給を安全に継続することができる時間を５分程度にまで延長することに成功している。
【０１２２】
このように、本実施形態においては、図１５の時刻ｔ１０４において燃料の供給が完全に停止された後、時刻ｔ１０５までの間、大量の発電用空気が供給されている。これは、時刻ｔ１０５までの間は、上述したように、燃料供給が完全に停止されていても、各燃料電池セルユニット１６の燃料極側への空気の逆流が抑制されるためである。従って、時刻ｔ１０５以降にも大量の発電用空気を供給すると、燃料極側に空気が逆流して、燃料電池セルユニット１６を損傷する危険がある。
【０１２３】
しかしながら、図１５に示すように、本実施形態においては、時刻ｔ１０５以降も微少流量の発電用空気の供給が継続される。これは、排気バルブ８５を全開にすることにより、燃料電池モジュール２の内部から外気までの流路抵抗を低減することにより可能にされている。即ち、排気管路の流路抵抗が低減されているため、発電用空気の供給量が少量であれば、燃料電池モジュール２内の圧力上昇による、各燃料電池セルユニット１６の燃料極側への空気の逆流は実質的に発生しない。
【０１２４】
加えて、空気導入管７６の多数の吹出口７７ａ（図８）を介して発電室１０の下部に導入された発電用の空気は、各燃料電池セルユニット１６の周囲空間を上昇した後、燃料電池セルスタック１４上方の燃焼室１８に流れる。このように、発電用の空気が、燃料電池セルユニット１６の周囲を通って燃料電池セルスタック１４の上方に流れる際、燃料電池セルユニット１６の上端付近に位置する空気は、発電用空気の流れに巻き込まれて上方に移動する。この空気の流れにより、少量の発電用空気の供給は、各燃料電池セルユニット１６の燃料極側への空気の逆流を抑制するように作用する。従って、図１５の時刻ｔ１０５以降に供給される少量の発電用空気は、排気気流形成用の空気として作用する。なお、本実施形態においては、流量約０．５Ｌ／ｍｉｎの発電用空気が排気気流形成用の空気として供給される。この排気気流形成用の空気の流量は、燃料電池モジュール２内の空間の寸法、形状、燃料電池モジュール２からの排気経路の流路抵抗等に基づいて、適正な値に設定されている。
【０１２５】
本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、制御部１１０が燃料電池モジュール２の運転状態に基づいて排気バルブ８５の開度を制御する（図１１、図１３、図１６）ので、簡単な構成により、発電効率、温度制御、排気ガス性能等の様々な要求を満足することができる。また、排気バルブ８５は燃料電池モジュール２の運転中においては完全に閉鎖されることがないため、残余燃料が燃料電池モジュール２内に滞留し、異常燃焼等を起こすリスクを確実に回避することができる。
【０１２６】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、排気バルブ８５がストッパ突起８５ｅにより機械的に、完全に閉鎖されないように構成されている（図９（ｂ））ので、排気バルブ８５の制御系等に不具合があった場合でも、排気バルブ８５が完全に閉鎖されることはなく、異常燃焼等を起こすリスクをより確実に回避することができる。
【０１２７】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、起動工程において燃料電池モジュール２内の温度が低いときは、排気バルブ８５の開度が小さくなるように制御される（図１１）ので、燃料電池モジュール２から排気と共に排出される熱量を減少させることができ、燃料電池セルスタック１４の昇温を促進することができる。
【０１２８】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、起動工程において、制御部１１０が点火装置８３を作動させると共に、排気バルブ８５の開度を小さくする（図１０のステップＳ２）ので、着火時における燃料及び発電用空気の流速を低下させることができ、燃料供給量を過剰に上昇させることなく着火を行うことができる。これにより、無駄な燃料の消費を抑制すると共に、排気性能を向上させることができる。
【０１２９】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、制御部１１０は、点火装置８３作動後、所定期間着火の成功が判定されない場合に、排気バルブ８５の開度を一旦大きくする（図１０のステップＳ５→Ｓ７）ので、着火に失敗している期間に供給され、燃料電池モジュール２内に滞留している過剰な燃料が異常燃焼を起こすのを防止することができる。
【０１３０】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、発電工程において、発電電力が小さいときは排気バルブ８５の開度が小さくされる（図１３）ので、排気と共に燃料電池モジュール２から排出される熱量を減少させることができ、小発電電力時において、少ない燃料で燃料電池モジュール２内の温度を適正温度に維持することができる。これにより、小発電電力時における発電効率を向上させることができる。
【０１３１】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、排気バルブ８５が備えられているので、排気バルブ８５の開度を変更することによって、温度帯域維持制御（図１４）を行うことができる。また、温度帯域維持制御において、燃料供給量が変更される前に排気バルブ８５の開度を変更する（図１４のステップＳ１３、Ｓ１４）ことによって温度が操作されるので、不要な燃料供給量の変更を抑制することができる。さらに、燃料電池モジュールは、一般に、熱容量が極めて大きく、温度変化が緩慢であるため、フィードバック制御による温度帯域維持制御が困難であり、燃料供給量の不要な変更により燃料電池モジュールに悪影響を与える場合がある。本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、まず、排気バルブ８５の開度の変更により温度が制御されるので、温度帯域維持制御のために不要な燃料が消費されるのを防止すると共に、不要な燃料供給量の増加のために、過昇温等の悪影響が生じるのを防止することができる。
【０１３２】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、発電停止工程において、空気の供給が継続される（図１５の時刻ｔ１０４以降）と共に、排気バルブ８５の開度が大きくされる（図１６の時刻ｔ１０１以降）ので、発電停止工程における排気通路の流路抵抗が低下される。これにより、空気の供給による燃料電池モジュール２内の圧力上昇を抑制することができ、燃料電池セルスタック１４の燃料極側への空気の逆流を抑制し、逆流による燃料電池セルスタック１４損傷のリスクを低減することができる。
【０１３３】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、排気バルブ８５は、空気用熱交換器２２の下流側に配置されていた（図８）が、変形例として、排気バルブを空気用熱交換器の上流側に配置することもできる。
【０１３４】
図１７は、このような変形例による固体酸化物型燃料電池の排気経路を模式的に示す図である。
図１７に示す変形例においては、空気用熱交換器２２をバイパスするようにバイパス通路２２２が設けられており、このバイパス通路２２２に排気バルブ２８５が取り付けられている。このように構成された変形例においては、排気バルブ２８５の開度が小さくされた状態では、発電室１０内で生成された排気ガス（燃焼ガス及び発電に使用されずに残った発電用空気）は、主に、空気用熱交換器２２を通って排気ガス排出管８２から排出される。一方、排気バルブ２８５の開度が大きくされた状態では、流路抵抗の大きい空気用熱交換器２２には排気ガスが殆ど流れることなく、排気ガスは、主に、流路抵抗の小さいバイパス通路２２２を通って排気ガス排出管８２から排出される。
【０１３５】
このように構成された変形例によれば、排気バルブ２８５を全開とした状態におけるバイパス通路２２２の流路抵抗を極めて小さく構成することができる。このため、空気用熱交換器２２の流路抵抗とは無関係に排気流路全体の流路抵抗を非常に小さくすることができるので、例えば、発電停止工程において、より安全に大量の空気を燃料電池モジュール２内に供給することが可能になる。また、排気バルブは、バイパス通路２２２及び空気用熱交換器２２の下流側の両方に設けることもでき、この場合には、何れか一方の排気バルブは、完全に閉鎖できる構造であってもよい。
【符号の説明】
【０１３６】
１    固体酸化物型燃料電池
２    燃料電池モジュール
４    補機ユニット
７    断熱材（蓄熱材）
８    密封空間
１０    発電室
１２    燃料電池セル集合体
１４    燃料電池セルスタック
１６    燃料電池セルユニット（固体酸化物型燃料電池セル）
１８    燃焼室
２０    改質器
２０ａ  蒸発部（蒸発室）
２０ｂ  改質部
２１    整流板
２１ａ  開口
２２    空気用熱交換器（熱交換器）
２４    水供給源
２６    純水タンク
２８    水流量調整ユニット（水供給手段）
３０    燃料供給源
３８    燃料流量調整ユニット（燃料供給手段）
４０    空気供給源
４４    改質用空気流量調整ユニット（改質用酸化剤ガス供給手段）
４５    発電用空気流量調整ユニット（発電用酸化剤ガス供給手段）
４６    第１ヒータ
４８    第２ヒータ
５０    温水製造装置（排熱回収用の熱交換器）
５２    制御ボックス
５４    インバータ
６０    純水導入管
６２    被改質ガス導入管
６６    マニホールド（分散室）
７０    燃焼ガス配管
７２    発電用空気流路
７４    発電用空気導入管
７６    連絡流路
７６    出口ポート
７７    発電用空気供給路
７７ａ  吹出口
８２    排気ガス排出管（排気通路）
８３    点火装置（着火手段）
８４    燃料電池セル
８５    排気バルブ
８５ａ  排気バルブ弁体
８５ｂ  シャフト
８５ｃ  コイルバネ
８５ｄ  アクチュエータ
８５ｅ  ストッパ突起
１１０    制御部（制御手段）
１１０ａ  着火判定手段
１１２    操作装置
１１４    表示装置
１１６    警報装置
１２６    電力状態検出センサ（需要電力検出手段）
１３２    燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３８    圧力センサ（改質器圧力センサ）
１４２    発電室温度センサ（温度検出手段）
１４８    改質器温度センサ
１５０    外気温度センサ
２２２    バイパス通路
２８５    排気バルブ
【図１】
2013239399.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】
2013239399.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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