(57)【要約】      （修正有）【課題】起動時の燃焼部の着火特性を改善し、燃焼部の着火時に逆火等が発生することを抑制し得る固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】改質器６と、固体酸化物形燃料電池３と、固体酸化物形燃料電池を通過したガスが集合する燃料集合部２０と、改質器に燃料を供給する燃料供給器１０と、発電用空気を供給する第１空気供給器１１と、改質用空気を供給する第２空気供給器１２と、燃料集合部から吹き出すガス及び発電用空気が燃焼する燃焼部５と、燃焼部の着火に用いる着火器８と、を備える。起動時に、燃料及び発電用空気を供給することで燃料集合部２０の燃料濃度が所定値以上となるように燃料供給器及び第１空気供給器１１を制御し、改質用空気の供給の開始又は供給量の増加を行うように第２空気供給器１２を制御した後、燃料集合部から燃焼部に吹き出すガスに着火させるように着火器８を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料及び改質用空気を用いて改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガス及び発電用空気を反応させて発電する固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池を通過したガスが集合する燃料集合部と、
前記改質器に燃料を供給する燃料供給器と、
前記固体酸化物形燃料電池に発電用空気を供給する第１空気供給器と、
前記改質器に改質用空気を供給する第２空気供給器と、
前記燃料集合部から吹き出すガス、及び発電用空気が燃焼する燃焼部と、
前記燃焼部の着火に用いる着火器と、
前記燃料供給器、前記第１空気供給器、前記第２空気供給器及び前記着火器を制御する制御器と、を備え、
前記制御器は、固体酸化物形燃料電池システムの起動時に、前記燃料及び前記発電用空気を供給することで前記燃料集合部の燃料濃度が所定値以上となるように前記燃料供給器及び前記第１空気供給器を制御し、前記改質用空気の供給の開始又は供給量の増加を行うように前記第２空気供給器を制御した後、前記燃料集合部から前記燃焼部に吹き出すガスに着火させるように前記着火器を制御する固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器は、固体酸化物形燃料電池システムの起動時に、前記燃料集合部の容積以上の量の燃料を前記燃料集合部に供給するように前記燃料供給器を制御した後、前記改質用空気の供給の開始又は供給量の増加を行うように前記第２空気供給器を制御する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、固体酸化物形燃料電池システムの起動時に、前記燃料の理論空気比に対して１．４倍以上の量の前記発電用空気及び前記改質用空気を供給するように、前記燃料供給器、前記第１空気供給器及び前記第２空気供給器を制御する請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料及び前記改質用空気の供給量は、前記燃料集合部から前記燃焼部へのガス吹き出し速度が、０．１５ｍ／ｓ以上、０．４ｍ／ｓ以下の範囲内となるように設定されている請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、固体酸化物形燃料電池システムの起動時に、前記燃料の流量が所定の流量に到達した後に前記改質用空気の流量が所定の流量に到達するように前記燃料供給器及び前記第２空気供給器を制御する請求項１〜５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御器は、固体酸化物形燃料電池システムの起動時に、前記燃料の供給の前に、前記着火器を始動させる請求項１〜５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料濃度の所定値は、１５ｖｏｌ％以上である請求項１〜６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】
本開示は固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池システムでは、炭化水素燃料（燃料）を固体酸化物形燃料電池の発電に使用するだけでなく、燃焼部での燃焼にも使用している（特許文献１参照）。例えば、燃料の全体量に対して固体酸化物形燃料電池にて発電に使用する燃料の比率を約６０〜８０％（以下、燃料利用率という場合がある）に設定し、残りの約２０〜４０％の燃料を燃焼部での燃焼に使用する場合も多い。
【０００３】
そして、かかる燃焼部の着火シーケンスについては従来から様々な方法が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献２では、燃料電池システムの起動時の着火判定方法が開示されており、燃焼領域のガス温度が、所定時間内で所定温度Ｔ０℃からＴ１℃以上に上昇した場合、燃焼部を着火できたと判定し、そうならなかった場合、未着火であると判定することが記載されている。また、特許文献３では、燃焼部の着火判定後の制御動作が記載されている。また、特許文献４では、燃焼部の着火時の着火ヒーターの制御方法が記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来例は、固体酸化物形燃料電池システムの起動時の燃焼部の着火特性を改善し、燃焼部の着火時に逆火等が発生することを抑制する方法について十分に検討されていない。
【０００６】
本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、起動時の燃焼部の着火特性を改善し、燃焼部の着火時に逆火等が発生することを抑制し得る固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本開示の一態様の固体酸化物形燃料電池システムは、燃料及び改質用空気を用いて改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス及び発電用空気を反応させて発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池を通過したガスが集合する燃料集合部と、前記改質器に燃料を供給する燃料供給器と、前記固体酸化物形燃料電池に発電用空気を供給する第１空気供給器と、前記改質器に改質用空気を供給する第２空気供給器と、前記燃料集合部から吹き出すガス、及び発電用空気が燃焼する燃焼部と、前記燃焼部の着火に用いる着火器と、前記燃料供給器、前記第１空気供給器、前記第２空気供給器及び前記着火器を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、固体酸化物形燃料電池システムの起動時に、前記燃料及び前記発電用空気を供給することで前記燃料集合部の燃料濃度が所定値以上となるように前記燃料供給器及び前記第１空気供給器を制御し、前記改質用空気の供給の開始又は供給量の増加を行うように前記第２空気供給器を制御した後、前記燃料集合部から前記燃焼部に吹き出すガスに着火させるように前記着火器を制御する固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の一態様の固体酸化物形燃料電池システムによれば、従来に比べ、起動時の燃焼部の着火特性を改善し、燃焼部の着火時に逆火等が発生することを抑制し得る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの一例を示す図である。
【図２】図２は、実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの起動時の動作の一例を示すタイムチャートである。
【図３】図３は、実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの起動時の動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの燃料集合部の一例を示す図である。
【図５】図５は、従来の固体酸化物形燃料電池システムの燃焼部に形成される火炎の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
最近、電力需要の高まり及び環境問題への関心の高まり等から、燃料電池の発電効率の更なる向上が求められている。燃料電池の発電効率の向上には、燃料電池の発電電圧を上げる方法、燃料電池の燃料利用率を上げる方法等がある。前者の方法は、燃料電池の材料開発が必要となるので、後者の方法が有望視されている。
【００１１】
しかし、燃料電池の燃料利用率を更に高くする場合には、燃料電池にて更に多量の改質ガスを発電に使用するため、改質ガス量の増加に伴い燃焼部での燃焼燃料に使用される可燃ガス量が減少する。よって、燃焼部にて未利用の改質ガスを燃焼させる際の酸化剤として、燃料電池を通過したカソードオフガスを用いる場合、可燃ガスの濃度減少による燃焼性の悪化（失火）を招く場合がある。かかる燃焼性の悪化によって、燃焼排ガス中に未燃成分（ＣＯ等）が残存する可能性があるので、その未燃成分の除去等を行うための排ガス処理触媒（浄化触媒）への負担が増大する。
【００１２】
ここで、従来構成（例えば、特許文献５）の固体酸化物形燃料電池システムでは、図５に示すように、多数の固体酸化物形燃料電池１０３のそれぞれの上端部の燃料吹き出し部から未利用の改質ガスが吹き出し、燃焼部１０５で改質ガスを燃焼させている。この場合、負荷変動等の影響により固体酸化物形燃料電池１０３のそれぞれを通過する改質ガスの流量、組成等が常に一定とは言えない。また、隣り合う固体酸化物形燃料電池１０３の隙間を通過する空気も全領域で一定とは言えない。特に、燃料電池スタックのコーナー部で一定にすることが困難である。
【００１３】
このため、例えば、固体酸化物形燃料電池の発電効率向上のために燃料利用率を高くする場合に、負荷変動等の影響によりガス流量、ガス組成が変化することで、数個の固体酸化物形燃料電池１０３の燃料吹き出し部において、燃焼部の部分的な失火等で不完全燃焼が起こる場合がある。
【００１４】
そこで、図４に示すように、固体酸化物形燃料電池３のそれぞれを通過した可燃ガスを燃料集合部２０で集合させ、燃料集合部２０内の可燃ガスが、炎口２１で再分配されて燃焼部へと水平方向に吹き出される構成が提案されている。これにより、固体酸化物形燃料電池３のそれぞれにおける上記負荷変動等の影響が解消され、従来構成で発生していた部分的な失火が抑制される。
【００１５】
ところで、発明者らは、このような燃料集合部を備える固体酸化物形燃料電池システムの起動時における燃焼部の着火シーケンスについて鋭意検討し、以下の知見を得た。なお、特許文献２−４は、燃焼部の着火シーケンスに関する類のものではあるが、上記の燃料集合部２０についての開示及び示唆の不存在により参酌に値しないと考えている。
【００１６】
固体酸化物形燃料電池システムの起動時には、プリパージにより燃料集合部内に空気が滞留している。このため、起動時に、固体酸化物形燃料電池のそれぞれを通過した燃料が燃料集合部に供給される場合、燃料集合部の空気で燃料が希釈される。すると、燃料集合部内の燃料濃度が可燃範囲内に入っている状態で燃焼部の着火が行われる場合がある。この場合、燃焼部の着火特性が悪化し、燃料集合部への逆火等が生じる可能性がある。
【００１７】
そこで、本開示の一態様の固体酸化物形燃料電池システムは、燃料及び改質用空気を用いて改質ガスを生成する改質器と、改質ガス及び発電用空気を反応させて発電する固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池を通過したガスが集合する燃料集合部と、改質器に燃料を供給する燃料供給器と、固体酸化物形燃料電池に発電用空気を供給する第１空気供給器と、改質器に改質用空気を供給する第２空気供給器と、燃料集合部から吹き出すガス、及び発電用空気が燃焼する燃焼部と、燃焼部の着火に用いる着火器と、燃料供給器、第１空気供給器、第２空気供給器及び着火器を制御する制御器と、を備え、制御器は、固体酸化物形燃料電池システムの起動時に、燃料及び発電用空気を供給することで燃料集合部の燃料濃度が所定値以上となるように燃料供給器及び第１空気供給器を制御し、改質用空気の供給の開始又は供給量の増加を行うように第２空気供給器を制御した後、燃料集合部から燃焼部に吹き出すガスに着火させるように着火器を制御する。
【００１８】
かかる構成によると、従来に比べ、固体酸化物形燃料電池システムの起動時の燃焼部の着火特性を改善し、燃焼部の着火時に逆火等が発生することを抑制し得る。
【００１９】
従来の着火シーケンスでは、燃料の供給の開始と同時に、改質用空気の供給が開始されている（例えば、燃料の流量が、２．５ＮＬ／ｍｉｎ、改質用空気の流量が２．５ＮＬ／ｍｉｎ）。この場合、燃料濃度は、約５０％前後である。ここで、燃料供給ライン上の固体酸化物形燃料電池、改質器、これらの接続配管及び燃料集合部の内容積のトータル量は、数リットルにも達し、ここに、プリパージでの空気が満たされている。よって、燃料供給ラインを流れる燃料は、燃料濃度が約５０％から更に燃料供給ライン内の空気で希薄化されるので、２５％未満の濃度の希薄燃料となり得る。よって、燃焼部の着火時に、燃料集合部内の燃料濃度が可燃範囲（都市ガス「１３Ａ」の場合は、約５％〜１５ｖｏｌ％）内に入る恐れがある。この場合、燃焼部の着火時のような脈動等が伴う不安定なガス流動状態では、炎口からの火炎が、燃料集合部内への逆火となる可能性がある。
【００２０】
これに対して、本開示の一態様では、燃料供給ライン上、特に、燃料集合部内にプリパージによる空気が滞留していたとしても、燃料集合部内の燃料濃度が可燃範囲内に入っている状態で燃焼部が着火することを抑制できる。これは以下の理由による。
【００２１】
本開示の一態様では、固体酸化物形燃料電池システムの起動時、固体酸化物形燃料電池を通過した燃料は、高濃度（例えば、燃料の流量が、２．５ＮＬ／ｍｉｎ、改質用空気の流量が、０．１ＮＬ／ｍｉｎの場合の燃料濃度は９０％以上）である。よって、燃料集合部に残留した空気（容積約１リットル程度）によって燃料が希薄化された場合でも、燃焼部の着火時に、燃料濃度は、可燃範囲の上限値（都市ガス「１３Ａ」の場合は、約１５ｖｏｌ％）以上を確保し得る。また、燃料流量と燃料集合部の容積から算出される燃料集合部内の空気の置換時間は、約１５秒程度である。よって、燃焼部の着火を燃料供給開始時から十分に遅延させることで（例えば、燃料供給の開始時から３０秒〜６０秒経過後）、燃料集合部の空気が燃料で完全に置換される。よって、燃焼部の着火時に、燃料集合部内の燃料濃度が可燃範囲の上限値を上回ることができる。例えば、燃料集合部内の燃料濃度は、約５０％以上となり得る。
【００２２】
以上により、本開示の一態様では、炎口から燃料集合部への逆火の発生を抑制できる。
【００２３】
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態及び第１実施例−第６実施例について説明する。以下の実施形態及び第１実施例−第６実施例は、いずれも本開示の一例である。ここで示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例であり、本開示を限定するものではない。また、実施形態及び第１実施例−第６実施例の構成要素のうち、本開示に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状及び寸法比等については正確な表示ではない場合がある。また、製造方法においては、必要に応じて、各工程の順序等を変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特開２０１３−１２４４４号公報
【特許文献２】特開２００８−１３５２６８号公報
【特許文献３】特開２００４−１１６９３４号公報
【特許文献４】特開２００８−２４３５９２号公報
【特許文献５】特開２０１０−２２５４５４号公報
【００２５】
（実施形態）
［装置構成］
図１は、実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの一例を示す図である。図１では、固体酸化物形燃料電池システム１００を側面視した図が示されている。また、便宜上、「上」から「下」に重力が作用するとしている。また、燃料及び改質ガスの流れを細い実線、空気の流れを点線、改質水の流れを太い実線で示している。
【００２６】
図１に示すように、固体酸化物形燃料電池システム１００は、燃料電池モジュール１と、補機収容部２と、制御器５０と、を備える。
【００２７】
まず、燃料電池モジュール１について説明する。
【００２８】
燃料電池モジュール１には、燃料電池スタック４と、燃焼部５と、改質器６と、空気予熱器７と、着火器８と、燃料集合部２０と、が設けられている。
【００２９】
改質器６は、燃料及び改質用空気を用いて改質ガスを生成する。具体的には、改質器６において、燃料経路からの燃料及び空気経路からの改質用空気が改質反応して、水素含有の改質ガスが生成される。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等を例示できる。
【００３０】
なお、燃料は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む炭化水素燃料である。
【００３１】
燃料集合部２０は、固体酸化物形燃料電池３を通過したガス（例えば、燃料又は改質ガス等）が集合する。固体酸化物形燃料電池システム１００の起動時等の改質器６の改質反応開始前には、ガス経路１６からの燃料が固体酸化物形燃料電池３を通過し、改質反応開始後には、ガス経路１６からの改質ガスが固体酸化物形燃料電池３を通過する。
【００３２】
図１に示すように、中空構造の燃料集合部２０は、燃料電池スタック４の上方に設けられている。そして、上記ガスが燃料集合部２０で集合するよう、固体酸化物形燃料電池３のそれぞれの内部と燃料集合部２０の内部とは連通している。
【００３３】
また、燃料集合部２０は、上下方向において立設する筒状（例えば、円筒状）の側壁部を備え、この側壁部の上下方向の適所に、数十個の炎口２１（例えば、燃料、改質ガス等の吹き出しのための開口部である丸孔）が、周方向にほぼ均等に形成されている。
【００３４】
燃焼部５は、燃料集合部２０から吹き出すガス、及び発電用空気が燃焼する。着火器８は、燃焼部５の着火に用いる。なお、着火器８として、例えば、着火ヒーター、点火プラグ等を例示できる。
【００３５】
このように、本実施形態では、固体酸化物形燃料電池システム１００の起動時、燃料集合部２０内の燃料が、炎口２１で再分配されて燃焼部５へと水平方向に吹き出される。このとき、燃焼部５が着火すると、燃焼部５で燃料が燃焼される。これにより、上記のとおり、図５の従来構成で発生していた、燃焼部５での部分的な失火が抑制される。
【００３６】
燃焼部５による燃料の燃焼熱は、燃焼部５の上方近傍に設けられた改質器６及び改質器６の上方に設けられた空気予熱器７の加熱に利用される。例えば、改質器６では、燃料及び改質用空気が加熱され、部分酸化改質反応が進行する。改質器６の温度が所定温度（例えば、５００℃程度）に昇温すると、補機収容部２の水供給器１３から燃料電池モジュール１へ改質水が供給される。これにより、図示しない蒸発器で改質水が蒸発気化された後、燃料及び水蒸気の混合ガスが改質器６へ送られる。すると、改質器６で部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とが共存するオートサーマル反応が進行する。改質器６の温度が所定温度（例えば、６００℃程度）に昇温すると、改質用空気の供給が停止され、改質器６で水蒸気改質反応が進行する。その後、燃料電池スタック４の発電が開始する。なお、ここでは、改質反応として、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応が行われる例を説明したが、これに限らない。例えば、部分酸化改質反応を行わずに、水蒸気改質反応及びオートサーマル反応だけを行ってもよい。
【００３７】
燃料電池スタック４は、複数の固体酸化物形燃料電池３を備える。固体酸化物形燃料電池３は、改質ガス及び発電用空気を反応させて発電する。燃料電池スタック４は、例えば、複数の平板型燃料電池及びインターコネクタ等の部材を積層した平板型スタックであってもいいし、複数の円筒型燃料電池（セルチューブ）及びインターコネクタ等の部材をバンドル（束にして固定）した円筒型スタックであってもいい。
【００３８】
固体酸化物形燃料電池システム１００の運転時（発電中）は、改質器６から出た改質ガスは、中空構造のガス経路１６において十分に混合された後、固体酸化物形燃料電池３のそれぞれの内部の中空領域へと均等に分配して供給される。これにより、ガス経路１６から出た改質ガスが、固体酸化物形燃料電池３のそれぞれの中空領域内を上昇し、固体酸化物形燃料電池３の発電反応に必要な水素（改質ガス）が固体酸化物形燃料電池３に供給される。
【００３９】
一方、固体酸化物形燃料電池３の発電反応に必要な酸素（発電用空気）は、これらとは別のルートを通じて燃料電池スタック４へと供給される。具体的には、補機収容部２の第１空気供給器１１からの発電用空気は、空気予熱器７へ圧送される。空気予熱器７では、空気経路内の発電用空気が、燃焼部５からの排ガスとの熱交換で加熱される。つまり、空気予熱器７は、排ガス経路を構成する流路部材と空気経路を構成する流路部材とが通過する熱交換器を構成する。これにより、常温の発電用空気は、約６００℃程度まで加熱される。高温の排ガスは、約３００℃程度まで冷却される。なお、排ガスは、図示しない排ガス浄化部を通過し、燃料電池モジュール１の外部に排出される。
【００４０】
空気予熱器７から出た高温の発電用空気は、隣り合う固体酸化物形燃料電池３の隙間を上昇し、固体酸化物形燃料電池３の発電反応に必要な酸素が固体酸化物形燃料電池３に供給される。
【００４１】
このようにして、改質ガス及び発電用空気の燃料電池スタック４での上昇中において、改質ガス中の水素及び一酸化炭素と発電用空気中の酸素との間で発電反応が起こり、水蒸気と二酸化炭素ガスが生成され、同時に、起電力が生じる。例えば、改質ガス中の発電成分（水素及び一酸化炭素）のうち、約６０％〜８０％が発電反応に使用され、約２０％〜４０％の未利用の発電成分は、燃焼部５で燃焼される。そして、燃焼部５による未利用の改質ガスの燃焼熱が、燃焼部５の上方近傍に設けられた改質器６及び改質器６の上方に設けられた空気予熱器７の加熱に利用される。発電用空気中の酸素は、一般的には約３０％が発電反応に使用される。また、未利用の酸素を含む発電用空気は、燃料電池スタック４を上昇した後、燃料集合部２０の底面に沿って流れ、燃料集合部２０の外周部近傍の空間を通過することで燃焼部５に供給され、燃焼部５で燃焼される。
【００４２】
次に、補機収容部２について説明する。
【００４３】
補機収容部２には、燃料供給器１０と、第１空気供給器１１と、第２空気供給器１２と、水供給器１３と、が設けられている。
【００４４】
燃料供給器１０は、改質器６に燃料を供給する。燃料供給器１０は、改質器６へ供給する燃料流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器及び流量制御器等により構成されるが、昇圧器及び流量制御器のいずれか一方で構成されても構わない。昇圧器として、例えば、定容積型ポンプ等が用いられるが、これに限定されるものではない。流量制御器として、例えば、流量制御弁等が用いられるが、これに限定されるものではない。流量制御弁として、例えば、電磁弁等を例示できる。なお、燃料は燃料供給源より供給される。燃料供給源は、所定の供給圧を備える。燃料供給源として、例えば、燃料ボンベ、燃料インフラ等を例示できる。
【００４５】
第１空気供給器１１は、固体酸化物形燃料電池３に発電用空気を供給する。なお、本実施形態では、第１空気供給器１１からの発電用空気は、空気予熱器７を経て固体酸化物形燃料電池３へと供給される。第１空気供給器１１は、固体酸化物形燃料電池３へ供給する空気流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器及び流量制御器等により構成される。昇圧器として、例えば、ブロア等が用いられるが、これに限定されるものではない。流量制御器として、例えば、流量制御弁等が用いられるが、これに限定されるものではない。流量制御弁として、例えば、電磁弁等を例示できる。
【００４６】
第２空気供給器１２は、改質器６に改質用空気を供給する。第２空気供給器１２は、改質器６へ供給する空気流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器及び流量制御器等により構成される。昇圧器として、例えば、ブロア等が用いられるが、これに限定されるものではない。流量制御器として、例えば、流量制御弁等が用いられるが、これに限定されるものではない。流量制御弁として、例えば、電磁弁等を例示できる。
【００４７】
なお、上記では、第１空気供給器１１及び第２空気供給器１２がそれぞれ、昇圧器及び流量制御器で構成されている例を説明したが、これに限定されない。例えば、改質用空気及び発電用空気が、単一の昇圧器（例えば、ブロア等）、空気分配経路及び空気分配器（例えば、分配弁等）等を用いて供給される場合は、第１空気供給器１１及び第２空気供給器１２のうちの一方が昇圧器で構成され、他方が空気分配器で構成される。
【００４８】
水供給器１３は、改質器６に改質水を供給する。水供給器１３は、改質器６へ供給する水流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器及び流量制御器等により構成される。昇圧器として、例えば、定容積型ポンプ等が用いられるが、これに限定されるものではない。流量制御器として、例えば、流量制御弁等が用いられるが、これに限定されるものではない。流量制御弁として、例えば、電磁弁等を例示できる。なお、改質水は、水自立運転の場合は、排ガスから回収された水を貯える図示しない凝縮水タンクから供給されてもよい。また、改質水は、水インフラ等の水供給源から、図示しない水浄化部を経て供給されてもよい。
【００４９】
制御器５０は、燃料供給器１０、第１空気供給器１１、第２空気供給器１２及び着火器８を制御する。具体的には、制御器５０は、固体酸化物形燃料電池システム１００の起動時に、燃料及び発電用空気を供給することで燃料集合部２０の燃料濃度が所定値以上となるように燃料供給器１０及び第１空気供給器１１を制御し、改質用空気の供給の開始又は供給量の増加を行うように第２空気供給器１２を制御した後、燃料集合部２０から燃焼部５に吹き出すガスに着火させるように着火器８を制御する。
【００５０】
制御器５０は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であってもよい。制御器５０は、例えば、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備えてもよい。演算処理部として、例えば、演算回路（図示せず）等を例示できる。演算回路としては、例えば、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）、ＣＰＵ等を例示できる。記憶部として、例えば、記憶回路（図示せず）等を例示できる。記憶回路としては、例えば、半導体メモリー等を例示できる。制御器５０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもいいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもいい。
【００５１】
［動作］
以下、図面を用いて、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００の起動時の動作について説明する。なお、ここでは、燃料として日本の都市ガス「１３Ａ」（都市ガス「１３Ａ」の組成比は、例えば、CH4:88.9%、C2H6:6.8%、C3H8:3.1%、C4H10:1.2%）を用い、着火器８として着火ヒーターを用いる場合について説明する。
【００５２】
図２は、実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの起動時の動作の一例を示すタイムチャートである。図３は、実施形態の固体酸化物形燃料電池システムの起動時の動作の一例を示すフローチャートである。
【００５３】
なお、制御器５０における制御プログラムの実行により、以下の動作が行われる。
【００５４】
まず、ステップＳ１で、固体酸化物形燃料電池システムのプリパージが行われる。これにより、固体酸化物形燃料電池システム１００内に残留している種々のガスが、システム外へ排気される。具体的には、図２に示すように、燃料電池モジュール１への燃料供給は停止され、一定のプリパージ時間、発電用空気及び改質用空気がそれぞれ、燃料電池モジュール１へ所定の流量で供給される。なお、このプリパージ時間の経過後、燃料電池モジュール１への改質用空気の供給は停止される。発電用空気は継続的に供給される。
【００５５】
次に、ステップＳ２で、着火ヒーターが始動される（通電開始）。
【００５６】
次に、ステップＳ３で、燃料電池モジュール１への燃料の供給が開始される。なお、このとき、改質用空気の供給は、停止されているが、図２の二点鎖線で示すように、僅かな量の改質用空気なら、供給しても構わない。
【００５７】
燃料の流量が、所定の流量（例えば、２．５ＮＬ／ｍｉｎ程度）に設定される場合、改質用空気の流量が、例えば、０．１ＮＬ／ｍｉｎ程度の微量であれば、燃料濃度は９０％以上となる。要は、燃料の可燃範囲の上限値（都市ガス「１３Ａ」の場合は、１５ｖｏｌ％程度）比べ、十分に高濃度の燃料を供給できるのであれば、必ずしも、改質用空気の供給を停止していなくても構わない。
【００５８】
そして、ステップＳ４で、所定時間が経過したか否かが判定される。所定時間が経過していない場合、そのままの状態が継続される。所定時間が経過すると、次のステップＳ５へ進む。ステップＳ４の所定時間は、例えば、約３０秒〜１２０秒の間の所望の時間に設定される。なお、制御器５０に組み込まれたタイマー等によりステップＳ４の経過時間はカウントされる。
【００５９】
これにより、上記プリパージで燃料集合部２０に滞留していた空気は、高濃度の燃料で置換され、燃料集合部２０の内の燃料濃度は、図２の一点鎖線で示すように、適時に、燃料の可燃範囲の上限値（都市ガス「１３Ａ」の場合は、１５ｖｏｌ％程度）を上回る。
【００６０】
次に、ステップＳ５で、燃料電池モジュール１への改質用空気の供給の開始又は供給量の増加が行われる。つまり、ステップＳ３で、改質用空気の供給を停止している場合は、改質用空気の供給が開始され、僅かな量の改質用空気の供給している場合は、改質用空気の供給量が増加される。なお、このとき、改質用流量は、例えば、２．５ＮＬ／ｍｉｎ程度に設定される。
【００６１】
次に、この状態で、着火判定のための時間が経過したか否かが判定され（ステップＳ６）、本着火判定時間経過の後、燃焼部５の着火を検知できたか否かが判定される（ステップＳ７）。なお、制御器５０に組み込まれたタイマー等によりステップＳ６の経過時間はカウントされる。また、燃焼部５の着火は、改質器６等に設けられた図示しない温度検知器の検知温度により検知できる。
【００６２】
燃焼部５の着火が検知された場合は、着火ヒーターの通電が停止され（ステップＳ８）、その後、固体酸化物形燃料電池システム１００の所定の発電モードへ移行する（ステップＳ９）。燃焼部５の着火が検知されなかった場合は、着火ヒーターの通電が停止され（ステップＳ１０）、その後、固体酸化物形燃料電池システム１００の所定の異常処理モードへ移行する（ステップＳ１１）。
【００６３】
以上により、本実施形態では、従来に比べ、固体酸化物形燃料電池システム１００の起動時の燃焼部５の着火特性を改善し、燃焼部５の着火時に逆火等が発生することを抑制し得る。
【００６４】
従来の着火シーケンスでは、燃料の供給の開始と同時に、改質用空気の供給が開始されている（例えば、燃料の流量が、２．５ＮＬ／ｍｉｎ、改質用空気の流量が２．５ＮＬ／ｍｉｎ）。この場合、燃料濃度は、約５０％前後である。ここで、燃料供給ライン上の固体酸化物形燃料電池３、改質器６、これらの接続配管及び燃料集合部２０の内容積のトータル量は、数リットルにも達し、ここに、プリパージでの空気が満たされている。よって、燃料供給ラインを流れる燃料は、燃料濃度が約５０％から更に燃料供給ライン内の空気で希薄化されるので、２５％未満の濃度の希薄燃料となり得る。よって、図２の点線で示すように、燃焼部５の着火時に、燃料集合部２０内の燃料濃度が可燃範囲（都市ガス「１３Ａ」の場合は、約５％〜１５ｖｏｌ％）内に入る恐れがある。この場合、燃焼部５の着火時のような脈動等が伴う不安定なガス流動状態では、炎口２１からの火炎が、燃料集合部２０内への逆火となる可能性がある。
【００６５】
これに対して、本実施形態では、ステップＳ３−Ｓ４の高濃度の燃料供給により、燃料供給ライン上、特に、燃料集合部２０内に、プリパージでの空気が滞留していたとしても、燃料集合部２０内の燃料濃度が可燃範囲内に入っている状態で、燃焼部５が着火することを抑制できる。これは以下の理由による。
【００６６】
本実施形態では、固体酸化物形燃料電池システム１００の起動時、固体酸化物形燃料電池３を通過した燃料は、高濃度（例えば、燃料の流量が２．５ＮＬ／ｍｉｎ、改質用空気の流量が０．１ＮＬ／ｍｉｎの場合の燃料濃度は９０％以上）である。よって、燃料集合部２０に残留した空気（容積約１リットル程度）によって燃料が希薄化された場合でも、燃焼部５の着火時に、燃料濃度は、可燃範囲の上限値（都市ガス「１３Ａ」の場合は、約１５ｖｏｌ％）以上を確保し得る。また、燃料流量と燃料集合部２０の容積から算出される燃料集合部２０内の空気の置換時間は、約１５秒程度である。よって、燃焼部５の着火を燃料供給開始時から十分に遅延させることで（例えば、燃料供給の開始時から３０秒〜６０秒経過後）、燃料集合部２０の空気が燃料で完全に置換される。よって、図２の一点鎖線で示すように、燃焼部５の着火時に、燃料集合部２０内の燃料濃度が可燃範囲の上限値を上回ることができる。例えば、燃料集合部２０内の燃料濃度は、約５０％以上となり得る。
【００６７】
以上により、本実施形態では、炎口２１から燃料集合部２０への逆火の発生を適切に抑制できる。
【００６８】
なお、改質用空気の供給が燃焼部５の着火後に開始される場合、燃焼部５の不安定な火炎状態において、炎口２１からのガス吹き出し流量が急に増えるので、排ガスが、高濃度の一酸化炭素（数百ｐｐｍ以上）を含む可能性がある。また、改質用空気を供給しない場合（つまり、発電用空気と燃料とによる燃焼部５での拡散燃焼を行う場合）、燃焼部５の不完全燃焼、燃焼部５の発熱量の低下、カーボン析出等が発生する可能性がある。
【００６９】
これに対して、本実施形態では、ステップＳ５で、燃焼部５の着火前の適時に改質用空気の供給の開始又は供給量の増加が行われる。よって、燃焼部５の着火時における燃料集合部２０の燃料濃度を高濃度に維持できるとともに、燃焼部５の最適な燃焼も確保できる。
【００７０】
（第１実施例）
実施形態の第１実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００は、実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００において、制御器５０は、固体酸化物形燃料電池システム１００の起動時に、燃料集合部２０の容積以上の量の燃料を燃料集合部２０に供給するように燃料供給器１０を制御した後、改質用空気の供給の開始又は供給量の増加を行うように第２空気供給器１２を制御する。
【００７１】
かかる構成によると、燃料集合部２０内にプリパージで満たされた空気のほぼ全量が高濃度の燃料で置換されるので、燃料集合部２０の燃料濃度を十分に高くなる好適な燃料濃度に到達させることができる。
【００７２】
本実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００は、上記の特徴以外の装置構成及び動作については、実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１００と同様であるので、これらの説明は省略する。
【００７３】
（第２実施例）
実施形態の第２実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００は、実施形態又は実施形態の第１実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００において、制御器５０は、固体酸化物形燃料電池システム１００の起動時に、燃料の理論空気比に対して１．４倍以上の量の発電用空気及び改質用空気を供給するように、燃料供給器１０、第１空気供給器１１及び第２空気供給器１２を制御する。
【００７４】
空気量が、燃料の理論空気比に対して１．４倍未満の場合、燃焼部５の不完全燃焼で排ガスが一酸化炭素を含む可能性があるが、本実施例では、このような可能性を低減できる。但し、空気量が、燃料の理論空気比に対して多過ぎると（例えば、燃料の理論空気比に対して４倍以上の空気量）、燃焼部５の火炎を吹き飛ばす可能性がある。
【００７５】
本実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００は、上記の特徴以外の装置構成及び動作については、実施形態又は実施形態の第１実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００と同様であるので、これらの説明は省略する。
【００７６】
（第３実施例）
実施形態の第３実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００は、実施形態及び実施形態の第１実施例−第２実施例のいずれかの固体酸化物形燃料電池システム１００において、燃料及び改質用空気の供給量は、燃料集合部２０から燃焼部５へのガス吹き出し速度が、０．１５ｍ／ｓ以上、０．４ｍ／ｓ以下の範囲内となるように設定されている。つまり、このようなガス吹き出し速度になるように、燃料及び改質用空気の供給量、炎口２１の開口面積等が設定される。
【００７７】
上記ガス吹き出し速度が、０．１５ｍ／ｓ未満の場合、燃焼部５の着火での炎口２１に形成される火炎の火移りが悪くなる可能性があり、０．４ｍ／ｓを上回る場合、炎口２１に火炎が形成されない可能性があるが、本実施例では、このような可能性を低減できる。
【００７８】
本実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００は、上記の特徴以外の装置構成及び動作については、実施形態及び実施形態の第１実施例−第２実施例のいずれかの固体酸化物形燃料電池システム１００と同様であるので、これらの説明は省略する。
【００７９】
（第４実施例）
実施形態の第４実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００は、実施形態及び実施形態の第１実施例−第３実施例のいずれかの固体酸化物形燃料電池システム１００において、制御器５０は、固体酸化物形燃料電池システム１００の起動時に、燃料の流量が所定の流量に到達した後に改質用空気の流量が所定の流量に到達するように燃料供給器１０及び第２空気供給器１２を制御する。
【００８０】
かかる構成によると、燃料の流量及び改質用空気の流量がそれぞれ、予め設定された所定の流量（例えば、２．５ＮＬ／ｍｉｎ）に到達した後に、燃焼部５の着火が行われるので、燃焼部５の着火時の炎口２１のガス吹き出し速度の変化が抑制され、燃焼部５の火炎を安定に形成できる。
【００８１】
本実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００は、上記の特徴以外の装置構成及び動作については、実施形態及び実施形態の第１実施例−第３実施例のいずれかの固体酸化物形燃料電池システム１００と同様であるので、これらの説明は省略する。
【００８２】
（第５実施例）
実施形態の第５実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００は、実施形態及び実施形態の第１実施例−第４実施例のいずれかの固体酸化物形燃料電池システム１００において、制御器５０は、固体酸化物形燃料電池システム１００の起動時に、燃料の供給の前に、着火器８を始動させる。
【００８３】
着火器８が、例えば、着火ヒーター等の場合、着火器８の温度が燃料の発火点温度に到達するには一定の時間がかかる。よって、上記の構成により、着火器８による燃焼部５の着火を適時に行うことができる。例えば、燃料集合部２０の燃料濃度が可燃範囲内に入っている状態で、燃焼部５の着火を行うことを抑制できる。また、燃焼部５の着火の遅れにより、未燃の燃料が燃料電池モジュール１の外部へ漏洩することを抑制できる。
【００８４】
本実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００は、上記の特徴以外の装置構成及び動作については、実施形態及び実施形態の第１実施例−第４実施例のいずれかの固体酸化物形燃料電池システム１００と同様であるので、これらの説明は省略する。
【００８５】
（第６実施例）
実施形態の第６実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００は、実施形態及び実施形態の第１実施例−第５実施例のいずれかの固体酸化物形燃料電池システム１００において、燃料濃度の所定値は、１５ｖｏｌ％以上である。
【００８６】
燃料が、例えば、メタンを主成分とする都市ガス「１３Ａ」（都市ガス「１３Ａ」の組成比は、例えば、CH4:88.9%、C2H6:6.8%、C3H8:3.1%、C4H10:1.2%）の場合、上記のとおり、可燃範囲は、約５％〜１５ｖｏｌ％程度である。よって、燃料濃度の所定値を１５ｖｏｌ％以上とすることで、燃料集合部２０への逆火発生の可能性を適切に低減できる。
【００８７】
本実施例の固体酸化物形燃料電池システム１００は、上記の特徴以外の装置構成及び動作については、実施形態及び実施形態の第１実施例−第５実施例のいずれかの固体酸化物形燃料電池システム１００と同様であるので、これらの説明は省略する。
【００８８】
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本開示の一態様は、従来に比べ、固体酸化物形燃料電池システムの起動時の燃焼部の着火特性を改善し、燃焼部の着火時に逆火等が発生することを抑制し得る。よって、本開示の一態様は、例えば、固体酸化物形燃料電池システムに利用できる。
【符号の説明】
【００９０】
１          ：燃料電池モジュール
２          ：補機収容部
３          ：固体酸化物形燃料電池
４          ：燃料電池スタック
５          ：燃焼部
６          ：改質器
７          ：空気予熱器
８          ：着火器
１０        ：燃料供給器
１１        ：第１空気供給器
１２        ：第２空気供給器
１３        ：水供給器
１６        ：ガス経路
２０        ：燃料集合部
２１        ：炎口
５０        ：制御器
１００      ：固体酸化物形燃料電池システム
【図１】
2016207413.tif 000003
【図２】
2016207413.tif 000004
【図３】
2016207413.tif 000005
【図４】
2016207413.tif 000006
【図５】
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