(57)【要約】【課題】従来、困難とされていた部分的に発生する失火または火炎安定性の低下に伴う異常燃焼などの燃焼状態を的確に判定し、可燃性ガスの排出を抑制することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池システムは、燃料を改質して改質ガスを生成する改質部と、改質ガスと発電用空気とを反応させて発電するセルスタックと、セルスタックから排出されたアノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、燃焼部の下流側に排ガスを浄化する浄化触媒を設けた排ガス浄化部と、セルスタックの電圧を検知する電圧検知部と、排ガス浄化部の温度を検知する温度検知部と、電圧検知部により検知されたセルスタックの電圧、および温度検知部で検知された排ガス浄化部の温度に基づいて、燃焼部における燃焼状態を判定する制御部と、を備え、制御部は、セルスタックの電圧が降下し、排ガス浄化部の温度が上昇した場合に、燃焼部における燃焼状態が悪化していると判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質して改質ガスを生成する改質部と、
前記改質ガスと発電用空気とを反応させて発電するセルスタックと、
前記セルスタックから排出された、発電に未利用の前記改質ガスを含むアノードオフガスと発電に未利用の前記発電用空気を含むカソードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、
前記燃焼部の下流側に排ガスを浄化する浄化触媒を設けた排ガス浄化部と、
前記セルスタックの電圧を検知する電圧検知部と、
前記排ガス浄化部の温度を検知する温度検知部と、
前記電圧検知部により検知された前記セルスタックの電圧、および前記温度検知部で検知された前記排ガス浄化部の温度に基づいて、前記燃焼部における燃焼状態を判定する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記セルスタックの電圧が降下し、前記排ガス浄化部の温度が上昇した場合に、前記燃焼部における燃焼状態が悪化していると判定する固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度検知部は、前記排ガス浄化部の温度として、前記浄化触媒の下流側を流通する前記排ガスの温度または前記浄化触媒の出口近傍の温度を検知する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
供給される前記発電用空気の流量を調整する空気流量調整部をさらに備え、
前記制御部は、
前記燃焼部における燃焼状態が悪化していると判定した後、前記空気流量調整部を制御して前記発電用空気の流量を増加させ、前記電圧検知部の検知結果に基づき前記セルスタックの電圧の降下値が大きくなったと判定した場合、ならびに前記温度検知部の検知結果に基づき前記排ガス浄化部の温度上昇値が大きくなったと判定した場合、前記燃焼部において空気過多による失火または異常燃焼が発生していると判定する請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
供給される前記発電用空気の流量を調整する空気流量調整部をさらに備え、
前記制御部は、
前記燃焼部における燃焼状態が悪化していると判定した後、前記空気流量調整部を制御して前記発電用空気の流量を増加させ、前記電圧検知部の検知結果に基づき前記セルスタックの電圧の降下値が小さくなったと判定した場合、ならびに前記温度検知部の検知結果に基づき前記排ガス浄化部の温度上昇値が小さくなったと判定した場合、前記燃焼部において空気不足による不完全燃焼、または発電用空気の酸素濃度低下による異常燃焼が発生していると判定する請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、
前記燃焼部において、空気過多による失火または異常燃焼が発生していると判定した場合、前記空気流量調整部を制御して前記発電用空気の流量を減少させる請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料の流量を調整する燃料流量調整部をさらに備え、
前記制御部は、
前記燃焼部において、空気過多による失火または異常燃焼が発生していると判定した場合、前記燃料流量調整部を制御して前記燃料の流量を増加させる請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料の流量を調整する燃料流量調整部をさらに備え、
前記制御部は、
前記燃焼部において空気過多による失火または異常燃焼が発生していると判定し、前記空気流量調整部を制御して前記発電用空気の流量を減少させ、前記燃料流量調整部を制御して燃料の流量を増加させた後において、前記セルスタックの電圧が降下し続け、かつ前記排ガス浄化部の温度が上昇し続けていると判定した場合、固体酸化物形燃料電池システムの運転を停止させる請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御部は、
前記燃焼部における空気不足による不完全燃焼、または発電用空気の酸素濃度低下による異常燃焼が発生していると判定した場合、前記空気流量調整部を制御して前記発電用空気の流量を増加させる請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御部は、
前記燃焼部における空気不足による不完全燃焼、または発電用空気の酸素濃度低下による異常燃焼が発生していると判定し、前記空気流量調整部を制御して前記発電用空気の流量を増加させた後において、前記セルスタックの電圧が降下し続け、かつ前記排ガス浄化部の温度が上昇し続けていると判定した場合、固体酸化物形燃料電池システムの運転を停止させる請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御部は、
前記排ガス浄化部の単位時間あたりの温度上昇値が所定値を上回った場合は固体酸化物形燃料電池システムの運転を停止させる請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１１】
前記排ガス浄化部は、前記排ガスが流れる流通経路において前記燃焼部よりも下流側であって、該燃焼部から離れた位置に設けられている請求項１から１０のいずれか１項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燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下、ＳＯＦＣと称する）システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば酸化物イオン導電性固体電解質などの電解質と、燃料極と、空気極とからなる単セルを複数個配列して形成したセルスタックを有するＳＯＦＣが知られている。ＳＯＦＣでは、燃料極に改質ガスが供給され、空気極に空気（酸化剤ガス）が供給され、発電が行われる。このような構成を有するＳＯＦＣでは、電解質を通過した酸素イオンと改質ガス中に含まれる水素との反応により電気を発生させ、発生させた電気をＳＯＦＣの外部に取り出して各種用途に使用する。また、ＳＯＦＣでは、セルスタックから排出された発電に未利用の改質ガスを含むアノードオフガスと、発電に未利用の酸化剤ガスを含むカソードオフガスとを、燃焼部において燃焼させ、排ガスとして系外へと排出する。
【０００３】
燃焼部における燃焼状態を判定する燃料電池システムとして、特許文献１に開示された燃料電池システムが提案されている。特許文献１に開示された燃料電池システムでは、燃焼用空間（燃焼部）の排ガスに含まれる可燃性成分（可燃性ガス）の燃焼を促進させる燃焼触媒部から形成された再燃焼部と、燃焼用空間における燃焼状態を判定する制御部とを備えている。そして、制御部は、燃焼触媒部での燃焼に起因する排ガスの時間的な温度上昇幅または時間的な温度上昇率、あるいは燃焼触媒部の直後の温度と直前の温度との間における場所的な温度上昇幅または場所的な温度上昇率に基づいて、燃焼用空間における燃焼状態を判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５６１１７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、一例として、従来、困難とされていた部分的に発生する失火または火炎安定性の低下に伴う異常燃焼などの燃焼状態を的確に判定し、可燃性ガスの排出を抑制することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の固体酸化物形燃料電池システムの一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、燃料を改質して改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガスと発電用空気とを反応させて発電するセルスタックと、前記セルスタックから排出された、発電に未利用の改質ガスを含むアノードオフガスと発電に未利用の発電用空気を含むカソードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部の下流側に排ガスを浄化する浄化触媒を設けた排ガス浄化部と、前記セルスタックの電圧を検知する電圧検知部と、前記排ガス浄化部の温度を検知する温度検知部と、前記電圧検知部により検知された前記セルスタックの電圧、および前記温度検知部で検知された前記排ガス浄化部の温度に基づいて、前記燃焼部における燃焼状態を判定する制御部と、を備え、前記制御部は、前記セルスタックの電圧が降下し、前記排ガス浄化部の温度が上昇した場合に、前記燃焼部における燃焼状態が悪化していると判定する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一態様に係る固体酸化物形燃料電池システムによれば、従来、困難とされていた部分的に発生する失火または火炎安定性の低下に伴う異常燃焼などの燃焼状態を的確に判定し、可燃性ガスの排出を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの要部構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態の実施例に係る固体酸化物形燃料電池システムの要部構成の一例を示す概略図である。
【図３】図３は、図２に示す固体酸化物形燃料電池システムにおける燃焼部の燃焼状態と、セルスタックの電圧および排ガス浄化部の温度それぞれの変化との対応関係の一例を示すグラフである。
【図４】図４は図２に示す固体酸化物形燃料電池システムにおける燃焼状態の判定処理の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、図２に示す固体酸化物形燃料電池システムにおいて、空気過多による失火または異常燃焼に対する制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、図２に示す固体酸化物形燃料電池システムにおいて、空気不足による不完全燃焼または異常燃焼に対する制御処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本願の発明者らは、固体酸化物形燃料電池システムの構成に関して鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。
【００１０】
まず、ＳＯＦＣは、発電後に水（水蒸気）が燃料極側に生成されるため、燃焼部におけるアノードオフガスの燃焼時に火炎温度が低下して火炎が不安定になりやすいという原理的な特性がある。ＳＯＦＣの燃料極側からはアノードオフガスが噴出されるが、このアノードオフガスに含まれる可燃成分の大半は水素および一酸化炭素である。特に水素はガス濃度で４〜７５％と可燃限界が広く、水素の燃焼速度は、最大で２．９m/secであり、メタンやプロパン等の炭化水素系燃料、および一酸化炭素の約７倍の大きさとなる。このように水素は、一酸化炭素よりも燃焼反応が進行しやすい。それゆえ、燃焼部において燃焼状態が悪化し、アノードオフガスが完全燃焼しなかった時は、一酸化炭素を多く含む排ガスが系外に排出されることとなる。
【００１１】
そこで、燃焼部における燃焼状態の悪化を確度よく検知し、一酸化炭素の系外への排出を抑制することが重要となる。
【００１２】
ここで燃焼部に設けられる燃焼器の燃焼状態の悪化を検知する構成として以下の構成が挙げられる。すなわち、燃焼器において、フレームロッドまたは熱電対などのセンサを火炎近傍に設置し、燃焼器における燃焼状態を判定する構成である。このようなセンサを設置した構成の場合、センサの設置位置近傍の火炎が失火または火炎安定性が低下するなど燃焼状態が悪化した時は、的確にこの燃焼状態の悪化を検知することができる。しかしながら、センサの設置位置近傍以外の火炎で燃焼状態が悪化した時は、この燃焼状態の悪化を確度よく検知することができず、一酸化炭素等の可燃性ガスが発生する場合があった。
【００１３】
そこで、失火または火炎安定性の低下が最も早く発生しやすい火炎位置の近傍にセンサを設置し、早期に燃焼状態の悪化を検知することができる構成とすることでこの問題に対処することが考えられる。
【００１４】
ところで固体酸化物形燃料電池システムでは、例えば、消費電力が小さい時にＴＤＲ（Turn Down Ratio）を変化させ、発電出力を低下させるように動作する。また、低下させた発電出力を上昇させ、元の発電出力とするためにＴＤＲを変化させるようにも動作する。このようにＴＤＲを変化させた場合、燃焼状態が最も早く悪化する火炎位置が変わる場合がある。それゆえ、ＴＤＲを変化させた時は、センサにより確度よく燃焼状態の悪化を検知することが困難となり、一酸化炭素等の可燃性ガスの排出を抑制することができない可能性があることを見出した。
【００１５】
なお、ＴＤＲの変化以外の要因により、センサの設置位置から離れた位置の火炎で燃焼状態が悪化する場合があることも見出した。例えば、外気へ過大なドラフト（通風力）が生じる場合、給気経路が閉塞している場合、排気経路が閉塞している場合、排気口に対し逆風が生じている場合、あるいは燃焼器周囲が酸欠状態となっている場合等である。
【００１６】
このため、センサの設置位置の近傍から離れた別の場所で燃焼状態が悪化しても、確度よく燃焼部における燃焼状態の悪化の有無を判定できる構成が求められている。
【００１７】
例えば、上述したように特許文献１の燃料電池システムでは、排ガスに含まれる可燃性ガスの燃焼を促進させる燃焼触媒から形成された再燃焼部を設け、燃焼触媒の排ガスの時間的な温度上昇幅、または時間的な温度上昇率、または燃焼触媒の直後の温度と直前の温度との温度上昇幅、または温度上昇率に基づいて、燃焼状態を判定する構成であった。これにより、特許文献１の燃料電池システムでは、例えば、センサの設置位置の近傍から離れた別の場所で燃焼状態が悪化しても、再燃焼部により、排ガス中に含まれる可燃性ガスを燃焼させることができるため、可燃性ガスの系外への排出を抑制することができる。また、再燃焼部を構成する燃焼触媒の温度変化により、燃焼部における燃焼状態の悪化の有無を判定できる。
【００１８】
しかしながら、発明者らは、特許文献１に開示された燃料電池システムの構成について鋭意検討したところ以下の問題点が生じるという知見を得た。
【００１９】
すなわち、固体酸化物形燃料電池システムの発電運転時に、燃料の流量を増加させ、ＴＤＲを変化させると、燃焼部で燃焼させられるアノードオフガスの流量も増加する。このため、燃焼部にて生成された燃焼ガスの温度が上昇する。燃焼ガスの温度が上昇すると、これに伴って燃焼触媒の温度も上昇してしまう。
【００２０】
このため、供給される燃料の流量が大きくなると、燃焼部における燃焼状態が悪化していないにもかかわらず、特許文献１の燃料電池システムでは、燃焼状態が悪化したと誤判定される可能性があることを見出した。また、このような誤判定は、ＴＤＲの設定を変化させる過渡状態だけではなく、ＴＤＲの設定を変化させた後の発電運転時でも生じる可能性があることを見出した。
【００２１】
さらにまた、特許文献１に開示された燃料電池システムが備える燃焼触媒は、その上流側から劣化していくが、燃焼触媒が劣化すると、劣化する前と比較して燃焼触媒のより下流側で可燃性ガスの燃焼が行われることとなる。それゆえ、燃焼触媒の下流側の温度が、燃焼触媒が劣化する前と比較して上昇することを見出した。このため、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、燃焼触媒が劣化した場合でも、燃焼部において火炎の燃焼状態が正常であるにもかかわらず、燃焼状態が悪化したと誤判定される可能性があることを見出した。
【００２２】
また、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、燃焼触媒の近傍温度を検知し燃焼状態の悪化の有無を判定する構成であるが、その判定精度を高めるために燃焼に用いる水素流量や未燃焼の水素流量等を算出して温度上昇幅等を求めている。このため、燃焼状態の悪化の有無を判定する制御フローが煩雑になるという問題があることも見出した。さらに、特許文献１の燃料電池システムは燃焼触媒の直後と直前の温度をそれぞれ検知し、温度上昇幅または温度上昇率を求める構成の場合、センサが少なくとも２個以上、必要となるため、燃料電池システムの製造コストが高くなるという問題も見出した。
【００２３】
そこで、発明者らは、従来、困難とされていた部分的に発生する失火または火炎安定性の低下に伴う異常燃焼などの燃焼状態を的確に判定し、可燃性ガスの排出を抑制することができる固体酸化物形燃料電池システムについて検討し、その結果、本発明に至った。そして、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
【００２４】
本発明の第１の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、燃料を改質して改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガスと発電用空気とを反応させて発電するセルスタックと、前記セルスタックから排出された、発電に未利用の前記改質ガスを含むアノードオフガスと発電に未利用の前記発電用空気を含むカソードオフガスとを燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部の下流側に排ガスを浄化する浄化触媒を設けた排ガス浄化部と、前記セルスタックの電圧を検知する電圧検知部と、前記排ガス浄化部の温度を検知する温度検知部と、前記電圧検知部により検知された前記セルスタックの電圧、および前記温度検知部で検知された前記排ガス浄化部の温度に基づいて、前記燃焼部における燃焼状態を判定する制御部と、を備え、前記制御部は、前記セルスタックの電圧が降下し、前記排ガス浄化部の温度が上昇した場合に、前記燃焼部における燃焼状態が悪化していると判定する。
【００２５】
上記構成によると、電圧検知部および温度検知部を備えているためセルスタックの電圧および排ガス浄化部の温度それぞれの変化を制御部は把握することができる。ここで、所定の電圧にて発電を行っている際に、電圧が降下する場合は、固体酸化物形燃料電池システムにおいて異常が発生している可能性を示す。なお、固体酸化物形燃料電池システムにおける異常とは、例えば、燃焼部における燃焼状態の悪化に伴い、改質部の温度が低下し、生成される改質ガスが減少して、セルスタックにおいて所望の発電量を発電できなくなった状態が挙げられる。また、排ガス浄化部の温度が上昇する場合は、燃焼部における燃焼状態が悪化し、排ガス内に多量の可燃性ガスが含まれている可能性を示す。
【００２６】
このように制御部は、セルスタックの電圧変化および排ガス浄化部の温度変化という２つの条件から燃焼部における燃焼状態の悪化の有無を判定することができる。
【００２７】
ここで例えば、固体酸化物形燃料電池システムの発電運転時に、燃料の流量を増加させＴＤＲを変化させる場合がある。この場合、燃料の流量増加によって排ガスの温度が上昇し、それに伴って排ガス浄化部の温度も上昇する。それ故、制御部が排ガス浄化部の温度変化だけで燃焼状態の悪化の有無を判定すると、燃焼状態の悪化とは無関係な要因により排ガス浄化部の温度が上昇しているにも関わらず、燃焼部における燃焼状態が悪化していると誤った判断をすることとなる。
【００２８】
しかしながら、制御部はさらにセルスタックの電圧変化も確認するため、排ガス浄化部の温度上昇が、燃焼部における燃焼状態の悪化に起因するものであるのか、否か区別することができる。つまり、燃料の流量増加によって排ガス浄化部の温度が上昇した場合、セルスタックの電圧は降下することはない。これに対して燃焼状態の悪化に起因して排ガス浄化部の温度が上昇した場合は、燃焼状態の悪化により固体酸化物形燃料電池システムに異常が発生しセルスタックの電圧は降下していく。このため、制御部は、燃料の流量増加によって排ガス浄化部の温度が上昇した場合において、燃焼状態が悪化していると誤判定することを防ぐことができる。
【００２９】
なお、燃料の流量を増加させてＴＤＲの変化させた場合、ＴＤＲの変化の過渡状態だけではなく、ＴＤＲを変化させた後の発電運転時でも、セルスタックの電圧は上昇する方向に変化することはあっても降下することはないため、制御部が、燃焼状態が悪化していると誤判定することがない。
【００３０】
また例えば、燃焼部における燃焼状態が正常であるにも関わらず浄化触媒の劣化に起因して排ガス浄化部の下流側の温度が上昇する場合がある。このような場合、制御部が排ガス浄化部の下流側の温度変化だけで燃焼状態の悪化の有無を判定すると、燃焼状態の悪化とは無関係の要因により排ガス浄化部の温度が上昇しているにも関わらず、燃焼部における燃焼状態が悪化していると誤った判断をすることとなる。しかしながら、制御部は、排ガス浄化部の温度変化に加えて、セルスタックの電圧変化も確認するため、排ガス浄化部の下流側の温度上昇が、燃焼部における燃焼状態の悪化に起因するものであるのか、否か区別することができる。つまり、浄化触媒の劣化に起因して排ガス浄化部の下流側の温度が上昇する場合は、固体酸化物形燃料電池システムにおいて異常が発生しているわけではないためセルスタックの電圧は降下しない。これに対して燃焼状態の悪化に起因して排ガス浄化部の温度が上昇した場合は、セルスタックの電圧は降下していく。このため、制御部は、浄化触媒の劣化によって排ガス浄化部の下流側の温度が上昇した場合において、燃焼状態が悪化していると誤判定することを防ぐことができる。
【００３１】
したがって、本発明の第１の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、従来、困難とされていた部分的に発生する失火または火炎安定性の低下に伴う異常燃焼などの燃焼状態を的確に判定することができる。さらに排ガス浄化部を備えているため、燃焼部における燃焼状態が悪化し、排ガス中の可燃性ガスの濃度が大きくなる場合であってもこの可燃性ガスを除去することができる。
【００３２】
よって、本発明の第１の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、従来、困難とされていた部分的に発生する失火または火炎安定性の低下に伴う異常燃焼などの燃焼状態を的確に判定し、可燃性ガスの排出を抑制することができるという効果を奏する。
【００３３】
また、本発明の第２の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記温度検知部は、前記排ガス浄化部の温度として、前記浄化触媒の下流側を流通する前記排ガスの温度または前記浄化触媒の出口近傍の温度を検知する構成であってもよい。
【００３４】
なお、浄化触媒の出口近傍とは、浄化触媒から排ガスが排出される出口部分およびその近辺であって、浄化触媒から排出された直後の排ガスの温度とみなすことができる温度検知範囲である。
【００３５】
また、本発明の第３の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様において、供給される前記発電用空気の流量を調整する空気流量調整部をさらに備え、前記制御部は、前記燃焼部における燃焼状態が悪化していると判定した後、前記空気流量調整部を制御して前記発電用空気の流量を増加させ、前記電圧検知部の検知結果に基づき前記セルスタックの電圧の降下値が大きくなったと判定した場合、ならびに前記温度検知部の検知結果に基づき前記排ガス浄化部の温度上昇値が大きくなったと判定した場合、前記燃焼部において空気過多による失火または異常燃焼が発生していると判定する構成であってもよい。
【００３６】
ここで、セルスタックの電圧の降下値が大きくなったと判定される場合、ならびに排ガス浄化部の温度上昇値が大きくなったと判定される場合とは、例えば、以下の場合である。すなわち、供給される発電用空気の流量の増加後に、電圧の降下を示す変化率がさらに大きくなった場合である。また、供給される発電用空気の流量の増加後に、排ガス浄化部の温度上昇を示す変化率がさらに大きくなった場合である。
【００３７】
つまり、供給される発電用空気の流量を増加させた時、セルスタックの電圧の降下値が大きくなったと判定され、さらに排ガス浄化部の温度上昇値が大きくなったと判定される場合とは、供給される発電用空気の流量が増加したとしても燃焼状態の悪化が改善されなかったことを意味する。それゆえ、燃焼状態の悪化の原因が、供給された発電用空気の流量の過多による失火または異常燃焼であることが分かる。
【００３８】
したがって、本発明の第３の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、燃焼部における燃焼状態が悪化していると判定した後、発電用空気の流量を増加させることができるため、燃焼状態の悪化が、供給された発電用空気の流量の過多に起因するものであるか否か特定することができる。また、このように燃焼状態の悪化の要因を特定することができるため、燃焼部における適切な燃焼制御を可能とする。
【００３９】
また、本発明の第４の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様において、供給される前記発電用空気の流量を調整する空気流量調整部をさらに備え、前記制御部は、前記燃焼部における燃焼状態が悪化していると判定した後、前記空気流量調整部を制御して前記発電用空気の流量を増加させ、前記電圧検知部の検知結果に基づき前記セルスタックの電圧の降下値が小さくなったと判定した場合、ならびに前記温度検知部の検知結果に基づき前記排ガス浄化部の温度上昇値が小さくなったと判定した場合、前記燃焼部において空気不足による不完全燃焼、または発電用空気の酸素濃度低下による異常燃焼が発生していると判定する構成であってもよい。
【００４０】
ここで、セルスタックの電圧の降下値が小さくなったと判定される場合とは、例えば、制御部が、発電用空気の流量を増加させた時に、セルスタックの電圧の降下を示す変化率が小さくなったと判定した場合である。また、排ガス浄化部の温度上昇値が減少したと判定される場合とは、例えば、制御部が、発電用空気の流量を増加させた時に、排ガス浄化部の温度上昇を示す変化率が小さくなったと判定した場合である。
【００４１】
つまり、供給される発電用空気の流量を増加させた時、セルスタックの電圧の降下値が小さくなったと判定され、さらに排ガス浄化部の温度上昇値が小さくなったと判定される場合とは、供給される発電用空気の流量を増加させたことにより燃焼部における燃焼状態の悪化が改善されたことを意味する。したがって、燃焼状態の悪化の原因が、供給された発電用空気の流量の不足による不完全燃焼、または発電用空気の酸素濃度低下であることが分かる。
【００４２】
したがって、本発明の第４の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、燃焼部における燃焼状態が悪化していると判定した後、発電用空気の流量を増加させることができるため、燃焼状態の悪化が供給された発電用空気の流量不足または発電用空気の酸素濃度低下に起因するものであるか否か特定することができる。また、このように燃焼状態の悪化の要因を特定することができるため、燃焼部における適切な燃焼制御を可能とする。
【００４３】
また、本発明の第５の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第３の態様において、前記制御部は、前記燃焼部において、空気過多による失火または異常燃焼が発生していると判定した場合、前記空気流量調整部を制御して前記発電用空気の流量を減少させるように構成されていてもよい。
【００４４】
また、本発明の第６の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第３の態様において、前記燃料の流量を調整する燃料流量調整部をさらに備え、前記制御部は、前記燃焼部において、空気過多による失火または異常燃焼が発生していると判定した場合、前記燃料流量調整部を制御して前記燃料の流量を増加させるように構成されていてもよい。
【００４５】
また、本発明の第７の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第３の態様において、前記燃料の流量を調整する燃料流量調整部をさらに備え、前記制御部は、前記燃焼部において空気過多による失火または異常燃焼が発生していると判定し、前記空気流量調整部を制御して前記発電用空気の流量を減少させ、前記燃料流量調整部を制御して燃料の流量を増加させた後において、前記セルスタックの電圧が降下し続け、かつ前記排ガス浄化部の温度が上昇し続けていると判定した場合、固体酸化物形燃料電池システムの運転を停止させるように構成されていてもよい。
【００４６】
ここで、燃焼部において空気過多による失火または異常燃焼が発生していると判定し、発電用空気の流量を減少させ、燃料の流量を増加させても、セルスタックの電圧が降下し続け、排ガス浄化部の温度が上昇し続けるということは、燃焼部における燃焼状態が良化していないということである。発電用空気の流量を減少させ、燃料の流量を増加させても、燃焼状態が良化しない場合は、過剰となる発電用空気の流量が著しく大きく、また排ガス中における例えば一酸化炭素などの可燃性ガスの濃度が大幅に高くなった状態である可能性がある。このような状態において固体酸化物形燃料電池システムの運転を継続しても燃焼状態がますます悪化し可燃性ガスの濃度がますます高くなる。
【００４７】
本発明の第７の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、過剰となる発電用空気の流量が著しく大きく、排ガス中における可燃性ガスの濃度が大幅に高くなった状態である可能性がある時、該固体酸化物形燃料電池システムの運転を停止させることができる。それゆえ、固体酸化物形燃料電池システムでは、一端、運転を停止させ空気過多が顕著になった原因を検討することができる。
【００４８】
また、本発明の第８の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第４の態様において、前記制御部は、前記燃焼部における空気不足による不完全燃焼、または発電用空気の酸素濃度低下による異常燃焼が発生していると判定した場合、前記空気流量調整部を制御して前記発電用空気の流量を増加させるように構成してもよい。
【００４９】
また、本発明の第９の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第４の態様において、前記制御部は、前記燃焼部における空気不足による不完全燃焼、または発電用空気の酸素濃度低下による異常燃焼が発生していると判定し、前記空気流量調整部を制御して前記発電用空気の流量を増加させた後において、前記セルスタックの電圧が降下し続け、かつ前記排ガス浄化部の温度が上昇し続けていると判定した場合、固体酸化物形燃料電池システム運転を停止させるように構成されていてもよい。
【００５０】
ここで、燃焼部における空気不足による不完全燃焼、または発電用空気の酸素濃度低下による異常燃焼が発生していると判定し、発電用空気の流量を増加させてもセルスタックの電圧が降下し続け、排ガス浄化部の温度が上昇し続けるということは、燃焼部における燃焼状態が良化していないということである。発電用空気の流量を増加させても、燃焼状態が良化しない場合は、固体酸化物形燃料電池システムが備える各機器の周囲が酸欠状態になり、燃焼部において発電用空気の酸素濃度が低下した状態である可能性がある。あるいは、供給された発電用空気の不足量が著しく大きい状態である可能性がある。このような状態において固体酸化物形燃料電池システムの運転を継続しても燃焼状態がますます悪化し可燃性ガスの濃度がますます高くなる。
【００５１】
本発明の第９の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムでは、燃焼部において発電用空気の酸素濃度が低下した状態あるいは供給された発電用空気の不足量が著しく大きい状態である可能性がある時、該固体酸化物形燃料電池システムの運転を停止させることができる。それゆえ、固体酸化物形燃料電池システムは、一端、運転を停止して各機器の周囲が酸欠状態になっているか否かを確認したり、供給された発電用空気の不足量が著しく大きくなる要因を検討したりすることができる。なお、供給された発電用空気の不足量が著しく大きくなる要因の検討とは、例えば、固体酸化物形燃料電池システムにおける給気経路または排気経路等の発電用空気が流通する経路中に閉塞等が生じていないか検討することが挙げられる。
【００５２】
また、本発明の第１０の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様において、前記制御部は、前記排ガス浄化部の単位時間あたりの温度上昇値が所定値を上回った場合は固体酸化物形燃料電池システムの運転を停止させるように構成されていてもよい。
【００５３】
ここで、排ガス浄化部の単位時間あたりの温度上昇値が所定値を上回った場合とは、燃焼部における燃焼状態が著しく悪化した場合である。
【００５４】
上記構成によると、固体酸化物形燃料電池システムでは、制御部が、排ガス浄化部の単位時間あたりの温度上昇値が所定値を上回った場合、すなわち燃焼部の燃焼状態が著しく悪化した場合、該固体酸化物形燃料電池システムの運転を停止させることができる。このため、固体酸化物形燃料電池システムの安全性を高めることができる。
【００５５】
また、本発明の第１１の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１から第１０の態様のいずれか１つの態様において、前記排ガス浄化部は、前記排ガスが流れる流通経路において前記燃焼部よりも下流側であって、該燃焼部から離れた位置に設けられていてもよい。
【００５６】
以下、実施形態の具体例について、図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する場合がある。
【００５７】
［実施形態］
（固体酸化物形燃料電池システムの構成）
まず、図１を参照して本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム１００の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム１００の要部構成の一例を示すブロック図である。
【００５８】
図１に示すように、固体酸化物形燃料電池システム１００は、改質部６と、セルスタック４と、燃焼部１９と、排ガス浄化部９と、温度検知部１８と、電圧検知部２０と、制御部２１とを備えてなる構成である。
【００５９】
改質部６は、外部から供給された燃料を改質して改質ガスを生成する。固体酸化物形燃料電池システム１００に供給される燃料は、少なくとも炭素および水素を構成元素とする有機化合物を含む。燃料としては、具体的には、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧなどの少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むガス、炭化水素、およびメタノールなどのアルコールが例示される。
【００６０】
セルスタック４では、改質部６で生成した改質ガスと発電用空気とを反応させて発電する。セルスタック４は、改質ガスが供給されるアノード（不図示）および発電用空気（酸化剤ガス）が供給されるカソード（不図示）を有し、該アノードと該カソードとの間で発電反応を行って発電するセルを複数枚、直列に接続して形成することができる。また、直列接続したセルスタックを、さらに並列に接続させた構成としてもよい。
【００６１】
セルスタック４を形成するセルとしては、例えば、イットリアをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）、イッテリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなる単セルを用いることができる。例えば、単セルがＹＳＺの場合、厚みにもよるが、約６００〜９００℃の温度範囲にて、発電反応が行われる。
【００６２】
燃焼部１９では、セルスタック４から排出された、発電に未利用の改質ガスを含むアノードオフガスと発電に未利用の発電用空気を含むカソードオフガスとを燃焼させ、燃焼ガスを生成する。
【００６３】
排ガス浄化部９は、排ガスの流通経路において燃焼部１９よりも下流側に設けられている。より具体的には図１に示すように、排ガス浄化部９は、排ガスの流通経路において燃焼部１９よりも下流側で、かつ離れた位置に設けられている。排ガス浄化部９は、燃焼部１９で生成された排ガス中の可燃性ガスを、反応熱を伴いながら浄化する浄化触媒３０を有する。例えば、浄化触媒３０は、ＣＯ酸化反応により可燃性ガスである一酸化炭素を二酸化炭素に変換できる触媒が挙げられ、このＣＯ酸化反応には発熱を伴う。このため、排ガス中の一酸化炭素の濃度が高くなるほど排ガス浄化部９の温度が高くなる。なお浄化触媒３０としては、白金、パラジウム、ロジウムなどの白金族貴金属が例示される。
【００６４】
電圧検知部２０は、セルスタック４の電圧を検知し、その検知結果を制御部２１に送信する。また、温度検知部１８は、排ガス浄化部９の温度を検知し、その検知結果を制御部２１に送信する。
【００６５】
制御部２１は、電圧検知部２０の検知結果、および温度検知部１８の検知結果に基づいて、燃焼部１９における燃焼状態を判定する。より具体的には、制御部２１は、セルスタック４の電圧が降下し、かつ排ガス浄化部９の温度が上昇したと確認した場合に、燃焼部１９における燃焼状態が悪化していると判定する。なお、制御部２１による燃焼部１９における燃焼状態の悪化に関する判定についての詳細は後述する。また、制御部２１は、上記した判定に加え、固体酸化物形燃料電池システム１００が備える各部の各種制御を行うことができる。制御部２１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。
【００６６】
制御部２１は、例えば、不図示の演算処理部と、制御プログラムを記憶する不図示の記憶部とを備える構成であってもよい。演算処理部としては、例えば、１つ以上の演算回路からなる構成が例示できる。演算回路は、例えば、ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）、またはＣＰＵ等が挙げられる。記憶部は、例えば、１つ以上の記憶回路からなる構成が例示できる。記憶回路としては、例えば、半導体メモリ等が挙げられる。制御部２１は、固体酸化物形燃料電池システム１００の各部に対して集中制御を行う単独の制御部で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御部から構成されていてもよい。
【００６７】
（実施例）
次に、上記した固体酸化物形燃料電池システム１００の具体的な構成について、図２に示す実施形態の実施例に係る固体酸化物形燃料電池システム１００の構成を例に挙げて説明する。図２は、本発明の実施形態の実施例に係る固体酸化物形燃料電池システム１００の要部構成の一例を示す概略図である。図２に示すように、実施形態の実施例に係る固体酸化物形燃料電池システム１００は、実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム１００と比較して、セルスタック４、改質部６、排ガス浄化部９、温度検知部１８、燃焼部１９、電圧検知部２０、および制御部２１を備える点で共通する。このため、これら共通する部材については同じ符号を付し、それぞれの説明は省略するものとする。
【００６８】
図２に示すように、実施形態の実施例に係る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２とを備えてなる構成である。燃料電池モジュール１内には、電気的に直列で接続された複数のセル３を配列し、形成されたセルスタック４が設置されている。また、セルスタック４で発電した電気の電圧の変動は、電圧検知部２０によって検知される。
【００６９】
セルスタック４の上部にはセルスタック４から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスを混合させた混合ガスを燃焼させるための空間である燃焼室５が形成されている。この燃焼室５内には、混合ガスに着火するための着火部８が設けられている。これら燃焼室５と着火部８とによって本発明の燃焼部１９を構成する。
【００７０】
また、燃焼部１９の上部には燃料を改質する改質部６が、改質部６の上部には発電用空気を予熱するための空気予熱部７がそれぞれ配置されている。燃料電池モジュール１の排ガス出口部には排ガス浄化部９が設けられている。排ガス浄化部９には、温度検知部１８が設けられている。
【００７１】
排ガス浄化部９には、浄化触媒３０が設けられており、浄化触媒３０は、排ガス浄化部９内において、例えば、セラミック系パッキンでシール（不図示）され、固定された構成であってもよい。
【００７２】
温度検知部１８は、排ガス浄化部９の出口温度として、浄化触媒３０の下流側を流通する排ガス温度または浄化触媒３０の出口近傍の温度を検知する構成であってもよい。
【００７３】
温度検知部１８が浄化触媒３０の下流側の排ガス温度を検知する場合は、例えば、排ガスの流通経路（排気経路）において浄化触媒３０の下流側を流れる排ガスの温度を検知できる位置に配置してもよい。また、温度検知部１８が浄化触媒３０の出口近傍の温度を検知する場合、排ガスが出ていく浄化触媒３０部分に配置してもよい。
【００７４】
温度検知部１８によって浄化触媒３０の出口近傍の温度を検知する構成とする場合、浄化触媒３０の温度変化を精度よく把握することができるという利点がある。
【００７５】
また、本発明の実施形態の実施例に係る固体酸化物形燃料電池システム１００では、温度検知部１８は、排ガスが流通する経路において、排ガス浄化部９の下流側に配置される構成であったが、排ガス浄化部９の温度変化の検知精度を上げるために、排ガス浄化部９の上流側にも別途、温度検知部を設けた構成としてもよい。
【００７６】
補機２は、燃料を供給する燃料供給部１０、改質用空気を供給する改質用空気供給部１１、発電用空気を供給する発電用空気供給部１２、および改質水を供給する水供給部１３を備える。さらに補機２は、供給する燃料の流量を調整する燃料流量調整部１４、改質用空気の流量を調整する改質用空気流量調整部１５、発電用空気の流量を調整する発電用空気流量調整部１６、改質水の流量を調整する水流量調整部１７を備える。
【００７７】
上記した燃料供給部１０、改質用空気供給部１１、発電用空気供給部１２、および水供給部１３は、例えば、ポンプなどにより実現できる。また、燃料流量調整部１４、改質用空気流量調整部１５、発電用空気流量調整部１６、および水流量調整部１７は、例えば電磁弁などにより実現できる。
【００７８】
上記した構成を有する固体酸化物形燃料電池システム１００では、発電運転の起動時に、補機２の燃料供給部１０は、制御部２１からの制御指示に応じて、燃料を燃料電池モジュール１に向かって送出する。燃料供給部１０から送出された燃料を、制御部２１からの制御指示に応じて燃料流量調整部１４が所望の流量となるように調整し、燃料電池モジュール１内に供給する。燃料電池モジュール１内に供給された燃料は、改質部６で改質され、改質ガスとなり、セルスタック４に導かれる。
【００７９】
また、補機２の発電用空気供給部１２は、制御部２１からの制御指示に応じて、発電用空気（酸化剤ガス）を燃料電池モジュール１に向かって送出する。発電用空気供給部１２から送出された発電用空気を、制御部２１からの制御指示に応じて発電用空気流量調整部１６が所望の流量となるように調整し、燃料電池モジュール１内に供給する。燃料電池モジュール１内に供給された空気は、空気予熱部７で予熱されセルスタック４に導かれる。
【００８０】
セルスタック４では、改質ガスと発電用空気とを反応させ発電が行われる。セルスタック４に供給された改質ガスは、複数のセル３の燃料極を流通し、燃焼部１９の燃焼室５内へアノードオフガスとして噴出される。また、セルスタック４に供給された発電用空気は、複数のセル３の空気極を流通し、燃焼室５内へカソードオフガスとして噴出される。燃焼室５内では、制御部２１からの制御指示に応じて着火部８が作動して、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスに着火する。そして複数のセル３の上方出口に火炎を形成させ、所定の空気比（燃料が完全燃焼する時に必要な理論空気量に対する実空気量の比）で燃焼させる。
【００８１】
燃焼室５内における燃焼で生成された燃焼ガスは、この燃焼室５の上方に配置された改質部６および空気予熱部７等の被加熱体を加熱した後、排ガス浄化部９を通過して、排ガスとして系外に排出される構成としてもよい。このように、改質部６における改質反応に必要な熱、および空気予熱部７において発電用空気を予熱するために必要な熱を燃焼ガスの有する熱により賄うことができる。
【００８２】
また、改質部６には、補機２の改質用空気供給部１１から改質用空気流量調整部１５を通じて改質用空気が供給されている。制御部２１からの制御指示に応じて改質用空気供給部１１から送出された改質用空気は、制御部２１からの制御指示に応じて改質用空気流量調整部１５が所望の流量となるように調整し、改質部６に供給する。改質部６では、燃料供給部１０から供給された燃料と改質用空気供給部１１から供給された改質用空気とが加熱され、部分酸化改質反応が進行する。
【００８３】
また、改質部６内は、燃焼ガスが有する熱により加熱され温度が上昇していく。そして、制御部２１は、改質部６に設けられた不図示の温度センサの検知結果から、改質部６内の温度が第１所定温度（例えば、５００℃）に達したと判定すると、水供給部１３および水流量調整部１７を制御して所望の流量の改質水を改質部６に供給させる。すなわち、制御部２１からの制御指示に応じて水供給部１３は改質水を改質部６へ送出する。水流量調整部１７は、制御部２１からの制御指示に応じて、水供給部１３から送出された改質水を所望の流量となるように調整し、改質部６に供給する。
【００８４】
このように改質水が供給されると、改質部６では、上述した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改質反応が進行する。
【００８５】
さらに、制御部２１は温度センサの検知結果から、改質部６内の温度がさらに上昇して第２所定温度（例えば、６００℃）に達したと判定すると、改質用空気供給部１１を制御して、改質用空気の供給を停止させる。改質用空気の供給停止後、改質部６では、燃料と水蒸気による水蒸気改質反応が進行される。
【００８６】
（変形例）
また、実施形態の実施例に係る固体酸化物形燃料電池システム１００は、その変形例として以下の構成を有するものであってもよい。
【００８７】
固体酸化物形燃料電池システム１００では、改質部６において、部分酸化改質反応、オートサーマル改質反応、および水蒸気改質反応を順次、進行させる構成とした。しかしながら、この構成に限定されるものではなく、例えば、部分酸化改質反応を実施せず、オートサーマル改質反応および水蒸気改質反応を順次、進行させる構成としても良い。あるいは、部分酸化改質反応とオートサーマル改質反応とを実施せず、水蒸気改質反応だけを進行させる構成としても良い。
【００８８】
また、固体酸化物形燃料電池システム１００では、図２に示すように排ガス浄化部９を燃焼部１９とは離れた位置に設ける構成であったが、これに限定されるものではない。例えば、排ガス浄化部９を燃焼部１９内に設けた構成としてもよい。しかしながら、図２に示す固体酸化物形燃料電池システム１００のように排ガス浄化部９を燃焼部１９から離れた位置に設けた構成の方が、排ガス浄化部９における浄化触媒３０の交換を容易とする点で有利である。また、燃焼部１９では水分が発生するが、排ガス浄化部９を燃焼部１９内に設けるよりも、図２に示すように排ガスが流れる流通経路の排気口部分（不図示）に設けた方が排ガス中に含まれる水分を低減させることができる。このため、排ガス浄化部９を、排ガスが流れる流通経路において燃焼部１９よりも下流側であって、燃焼部１９から離れた位置に設ける構成の方が水分による浄化触媒の劣化を抑制させることができる点で有利である。
【００８９】
また、固体酸化物形燃料電池システム１００では、排ガス浄化部９内に貴金属を主とした酸化用の浄化触媒を設置したが、一酸化炭素の浄化性能を確保できれば、触媒の材料、形状を特に限定するものではない。
【００９０】
また、排ガス浄化部９は、燃焼部１９における燃焼状態が悪化し、排ガス中のＣＯ濃度が増加すると、その増加に伴って温度が上昇する構成であった。特に排ガス浄化部９には全量の排ガスが流通するため、排ガス浄化部９の温度変化を検知することでどのような燃焼条件でも、燃焼部１９における燃焼状態の悪化に伴い発生するＣＯを検知することができる。このため、排ガス浄化部９をＣＯ検知センサとして機能させてもよい。一般的に用いられているＣＯ検知センサは、その検知精度に問題があり、誤判定されることもある。また、コストも高い。そこで、排ガス浄化部９をＣＯ検知センサとして機能させる構成の場合、燃焼部１９における燃焼状態の悪化に伴い生じる、排ガス中のＣＯ濃度の増加を的確に検知することができ、固体酸化物形燃料電池システム１００の安全性を高めることができる。また高価な検知センサが不要となるため低コスト化を図ることができる。
【００９１】
（燃焼状態とセルスタックの電圧と排ガス浄化部の温度との関係）
ところで、上記したようにＳＯＦＣは、発電後の水（水蒸気）が燃料極側に生成されるため、燃焼部１９における燃焼時に火炎温度が低下して火炎が不安定になりやすいという原理的な特性がある。このため、燃焼状態の悪化を的確に判定し、一酸化炭素等の可燃性ガスの排出を抑制することが重要となる。
【００９２】
ここで、図３を参照して、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム１００における燃焼部１９の燃焼状態が悪化した時の、セルスタック４の電圧および排ガス浄化部９の温度の変化について説明する。図３は、図２に示す固体酸化物形燃料電池システム１００における燃焼部１９の燃焼状態と、セルスタック４の電圧および排ガス浄化部９の温度それぞれの変化との対応関係の一例を示すグラフである。図３では、燃焼部１９における火炎が部分的に失火した場合を例示している。
【００９３】
図３において、グラフの横軸は時間を示す。グラフの左側の縦軸はセルスタック４の電圧および排ガス中のＣＯ濃度を示す。また、グラフの右側の縦軸は排ガス浄化部９の温度（浄化触媒３０の出口温度）を示す。
【００９４】
図３に示すように、時間ｔ１で燃焼部１９における燃焼状態が悪化した時、排ガス中のＣＯ濃度が上昇していく。図３では、時間ｔ１から時間ｔ３まで経過すると、ＣＯ濃度は、濃度Ｃ１から濃度Ｃ２まで上昇する。
【００９５】
また、燃焼部１９における燃焼状態が悪化し、ＣＯ濃度が上昇すると、排ガス浄化部９の浄化触媒３０ではＣＯ酸化反応が進み、その反応熱により触媒出口温度が上昇する。触媒出口温度は、ＣＯ濃度の上昇に対して応答性良く上昇し、時間ｔ１から時間ｔ２まで経過すると、温度Ｔ１から温度Ｔ２まで上昇する。
【００９６】
一方、セルスタック４の電圧は、時間ｔ１から時間ｔ３まで経過すると、電圧Ｖ１から電圧Ｖ２まで降下する。つまり、燃焼部１９における火炎が部分的に失火すると、燃焼部１９の上方に設置した被加熱体である改質部６の温度が降下する。これに伴って、改質部６において生成される改質ガス中の水素流量が減少し、結果としてセルスタック４における発電量が低下し、セルスタック４の電圧が降下する。
【００９７】
また、改質部６において生成される改質ガス中の水素流量が減少すると、セルスタック４の温度が降下するとともに燃焼部１９における火炎温度も降下し、結果として部分的に失火しやすくなるという悪循環が発生する。
【００９８】
ここで例えば部分的な失火が発生することなく、燃焼部１９の燃焼状態が正常な場合、排ガス中のＣＯ濃度は低くなる。このため、排ガス浄化部９でのＣＯ酸化反応で反応する一酸化炭素は微量であり、触媒出口温度は上昇しない。また、改質部６において生成される改質ガス中の水素流量も減少しないため、セルスタック４の電圧は降下しない。
【００９９】
このため、燃焼状態の悪化に伴い発生する一酸化炭素の排ガス中における濃度と、触媒出口温度の上昇値との相関関係を事前に把握することにより、制御部２１は燃焼部１９における燃焼状態の悪化を的確に判定することができる。
【０１００】
なお、排ガス中のＣＯ濃度を浄化触媒３０で酸化反応させて低減させる際、浄化触媒３０の触媒出口温度がどのように上昇するかについて、ＣＯ酸化反応に伴う反応熱と、排ガスの流量および比熱から試算できる。しかしながら、浄化触媒３０の浄化性能、排ガスの組成、燃料電池モジュール１における熱収支、ＴＤＲの変化、燃料の流量変動等の影響により、十分な試算精度を確保するのは困難である。
【０１０１】
それゆえ、固体酸化物形燃料電池システム１００では、燃焼部１９における燃焼状態を悪化させた際に発生する一酸化炭素の濃度の変化と浄化触媒３０の触媒出口温度の上昇値の変化との対応関係に、さらにセルスタック４の電圧の降下値の変化を対応づけ、事前にデータとして設定しておくことが的確な燃焼状態の判定と制御に有効となる。そして、固体酸化物形燃料電池システム１００では、例えば、不図示の記憶装置に、この事前に設定したデータを記憶させる構成であってもよい。
【０１０２】
ここで、事前に設定するデータについて説明する。ここでは説明の便宜上、固体酸化物形燃料電池システム１００が７Ａの発電量で発電運転をしている時に、燃焼部１９において部分的に失火した場合を例に挙げて説明する。燃焼部１９において火炎が部分的に失火し、燃焼部１９で発生する一酸化炭素の排ガス中の濃度が、１００ｐｐｍから５００ｐｐｍまで上昇したとする。また、これに伴って浄化触媒３０における触媒出口温度は２５０℃から３００℃まで上昇したとする。このとき、セルスタック４の電圧は１０７Ｖから１０３Ｖに降下したとする。
【０１０３】
この場合、事前に設定するデータは、発電量が７Ａとなる発電運転条件で燃焼状態が悪化した場合における一酸化炭素の濃度の変化（１００ｐｐｍから５００ｐｐｍ）と、浄化触媒３０の触媒出口温度の変化（２５０℃から３００℃）と、セルスタック４の電圧の変化（１０７Ｖから１０３Ｖ）との対応関係を示すデータとする。
【０１０４】
また、発電量が７Ａとなる発電運転条件を変化させた場合についても、同様に排ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度の上昇値と、触媒出口温度の上昇値と、セルスタック４の電圧の降下値との対応関係を示すデータを事前に設定しておく。
【０１０５】
また、セルスタック４の電圧は燃料電池モジュール１における発電状況を示す指標となりうる値である。この電圧には、燃焼状態の変化以外にも、燃料電池モジュール１内における熱収支、燃料電池モジュール１に供給される流体の流量等が変化した場合、あるいはセルスタック４、改質部６内で行われる化学反応が変化した場合等、各種要因が反映され、運転状態を広範囲に把握できる。
【０１０６】
それゆえ、固体酸化物形燃料電池システム１００では、排ガス浄化部９の浄化触媒３０の温度上昇に加えて、セルスタック４の電圧の変化を検知することにより、燃焼状態が悪化しているのか否か確度よく特定することが可能となる。
【０１０７】
例えば、固体酸化物形燃料電池システム１００の発電運転時に、ＴＤＲを変化させるために燃料流量を増加させ、これに伴って排ガスの温度が上昇した場合、浄化触媒３０の温度も上昇する。しかしながらこの場合は、セルスタック４の電圧は降下しない。このため、固体酸化物形燃料電池システム１００では、制御部２１が、セルスタック４の電圧が降下し、かつ排ガス浄化部９の温度が上昇したと確認した場合に、燃焼部１９における燃焼状態が悪化していると判定する構成とすることで、燃焼状態の悪化に対する誤判定を防ぐことができる。また、ＴＤＲを変化させる過渡状態だけでなく、ＴＤＲを変化させた後の発電運転時でも、燃焼状態が悪化することなく、浄化触媒３０の温度が上昇した場合は、セルスタック４の電圧は降下しないため、燃焼状態の悪化に対する誤判定を防ぐことができる。
【０１０８】
また、浄化触媒３０が劣化し始めた場合も、浄化触媒３０の出口温度（下流側温度）は上昇するが、この場合もセルスタック４の電圧は降下しない。このため、固体酸化物形燃料電池システム１００では、制御部２１が、セルスタック４の電圧が降下し、かつ排ガス浄化部９の温度が上昇したと確認した場合に、燃焼部１９における燃焼状態が悪化していると判定する構成とすることで、燃焼状態の悪化に対する誤判定を防ぐことができる。
【０１０９】
なお、セルスタック４も劣化しないわけではないが、浄化触媒３０とは異なり、セルスタック４の劣化に伴い下降する電圧値は微小である。また、発電運転時間の時間経過に伴って経時劣化するセルスタック４の電圧値の変化を事前に把握することができる。このため、固体酸化物形燃料電池システム１００では、発電運転時間の時間経過に伴って、セルスタック４の電圧値を補正することで、燃焼状態の悪化に対する誤判定を防ぐことができる。
【０１１０】
さらに、固体酸化物形燃料電池システム１００は、例えば、特許文献１の燃料電池システムのように燃焼に用いる水素の流量や未燃焼の水素の流量等を算出して温度上昇幅等を求める必要もなく、燃焼状態の判定に関する制御処理フローを簡素化できる。また、固体酸化物形燃料電池システム１００は、燃焼状態の判定を行うにあたり、１つのセンサから構成できる温度検知部１８によって浄化触媒出口の温度を検知する構成である。このため、燃焼状態の判定を行うために複数の温度センサを必要とすることなく、固体酸化物形燃料電池システム１００は低コスト化を実現できる。
【０１１１】
（燃焼状態の判定処理）
次に、図４を参照して固体酸化物形燃料電池システム１００における燃焼状態の判定処理について具体的に説明する。図４は図２に示す固体酸化物形燃料電池システム１００における燃焼状態の判定処理の一例を示すフローチャートである。なお、ここでは発電運転中に燃焼状態が悪化する場合を想定して説明するが、この燃焼状態の判定は固体酸化物形燃料電池システム１００の発電運転の起動時にも適用することが可能である。
【０１１２】
図４に示すように、固体酸化物形燃料電池システム１００は発電運転を開始する（ステップＳ１１）。発電運転が開始されると、制御部２１は、電圧検知部２０に制御指示してセルスタック４の電圧の検知を開始させるとともに、温度検知部１８に制御指示して排ガス浄化部９の温度検知を開始させる（ステップＳ１２）。そして電圧検知部２０によってセルスタック４の電圧の検知が、温度検知部１８によって排ガス浄化部９の温度の検知がそれぞれ継続される。
【０１１３】
制御部２１は、電圧検知部２０および温度検知部１８それぞれから検知結果を所定のタイミングで逐次受信しており、これらの検知結果から、セルスタックの電圧が降下し、かつ排ガス浄化部９の温度が上昇したか否か判定を行う（ステップＳ１３）。そして、セルスタック４の電圧が降下し、かつ排ガス浄化部９の温度が上昇したと判定した場合（ステップＳ１３において「ＹＥＳ」）、制御部２１は、燃焼状態が悪化したと判定する（ステップＳ１４）。
【０１１４】
ステップＳ１４において燃焼状態が悪化したと判断した場合、制御部２１は、発電用空気流量調整部１６を制御して燃料電池モジュール１（セルスタック４）に供給させる発電用空気の流量を増加させる（ステップＳ１５）。
【０１１５】
制御部２１は、発電用空気の流量を増加させた後の電圧検知部２０の検知結果に基づき、セルスタック４の電圧の降下値が大きくなったか判定し、ならびに発電用空気流量を増加させた後の温度検知部１８の検知結果に基づき、排ガス浄化部９の温度上昇値が大きくなったか判定する（ステップＳ１６）。
【０１１６】
ここで、発電用空気の流量を増加させた時、セルスタック４の電圧の降下値が大きくなったと判定される場合とは、制御部２１が、電圧の降下を示す変化率がさらに大きくなったと判定した場合である。発電用空気の流量を増加させた時、排ガス浄化部９の温度上昇値が大きくなったと判定される場合とは、制御部２１が、排ガス浄化部９の温度上昇を示す変化率がさらに大きくなったと判定した場合である。
【０１１７】
また、発電用空気の流量を増加させた時、セルスタック４の電圧の降下値ならびに排ガス浄化部９の温度上昇値がそれぞれ大きくなったと判定される場合とは、燃焼部１９に供給される空気流量が増加したとしても燃焼状態の悪化が改善されなかったことを意味する。つまり、燃焼状態の悪化の原因が、燃焼部１９に供給された発電用空気流量の過多による失火または異常燃焼であることが分かる。
【０１１８】
したがって、ステップＳ１６において「ＹＥＳ」と判定する場合、制御部２１は、燃焼状態の悪化は、燃焼部１９に供給された空気の過多による失火または異常燃焼と判定する（ステップＳ１７）。
【０１１９】
逆に、ステップＳ１６において「ＮＯ」と判定する場合、制御部２１は、発電用空気の流量を増加させた後の電圧検知部２０の検知結果に基づき、セルスタック４の電圧の降下値が減少したか判定する。さらに制御部２１は、発電用空気流量を増加させた後の温度検知部１８の検知結果に基づき、排ガス浄化部９の温度上昇値が減少したか判定する（ステップＳ１８）。
【０１２０】
ここで、発電用空気の流量を増加させた時、セルスタック４の電圧の降下値が減少したと判定される場合とは、例えば、制御部２１が、電圧の降下を示す変化率が小さくなったと判定した場合である。また、発電用空気の流量を増加させた時、排ガス浄化部９の温度上昇値が減少したと判定される場合とは、例えば、制御部２１が、排ガス浄化部９の温度上昇を示す変化率が小さくなったと判定した場合である。
【０１２１】
よって、発電用空気の流量を増加させた時、セルスタック４の電圧の降下値が減少したと判定される場合、ならびに排ガス浄化部９の温度上昇値が減少したと判定される場合（ステップＳ１８において「ＹＥＳ」）は、燃焼部１９に供給される空気流量を増加させたことで燃焼状態の悪化が改善されたことを意味する。つまり、燃焼状態の悪化の原因が、燃焼部１９に供給された発電用空気流量の不足による不完全燃焼または異常燃焼であることが分かる。
【０１２２】
したがって、ステップＳ１８において「ＹＥＳ」と判定する場合、制御部２１は、燃焼状態の悪化は、燃焼部１９に供給された空気の不足による不完全燃焼または異常燃焼と判定する（ステップＳ１９）。なお、ステップＳ１８において「ＮＯ」と判定した場合は、ステップＳ１５に戻り、ステップＳ１５以降の処理を繰り返す。
【０１２３】
以上のように、固体酸化物形燃料電池システム１００では、制御部２１は、セルスタック４の電圧および排ガス浄化部９の温度の検知結果を受信し続け、セルスタック４の電圧の降下、および排ガス浄化部９の温度の上昇を検知した場合には、燃焼状態が悪化したと判定する。このように判定した場合、制御部２１は、発電用空気流量調整部１６を制御し、燃料電池モジュール１（セルスタック４）に供給させる発電用空気の流量を増加させる。そして、発電用空気の流量の増加後、制御部２１がセルスタック４の電圧の降下値ならびに排ガス浄化部９の温度の上昇値がそれぞれ増大したと判定した場合は、燃焼状態の悪化の要因は、燃焼部１９における空気過多による失火または異常燃焼の発生と判定することができる。逆に、制御部２１は、セルスタック４の電圧の降下値ならびに排ガス浄化部の温度上昇値がそれぞれ減少したと判定した場合は、燃焼状態の悪化の要因は、燃焼部１９における空気不足による不完全燃焼または異常燃焼の発生と判定することができる。
【０１２４】
なお、上記したように、制御部２１は、セルスタック４の電圧の降下、および排ガス浄化部９の温度上昇を検知した場合、発電用空気流量調整部１６を制御して発電用空気の流量を増加させる構成であった。この増加させる空気流量の一例としては、例えば、発電量が７Ａとなるように発電運転をしている時、燃料電池モジュール１に対して５０ＮＬ／ｍｉｎの発電用空気が供給されている場合、発電用空気流量調整部１６によって１０パーセントほど流量を増加させ５５ＮＬ／ｍｉｎとする。
【０１２５】
また、ＴＤＲを変化させ、燃焼状態が悪化した場合において、この燃焼状態の悪化が、燃料電池モジュール１に供給された空気が過多となっていることによるものなのか、空気が不足していることによるものかを区別するためには、供給する発電用空気の流量を１０％増加させることが適正となる。
【０１２６】
なお、空気過多による失火は、部分的に発生する失火だけでなく、全ての火炎が吹飛び（Blow Off）、失火する場合も含む。
【０１２７】
また空気過多による異常燃焼とは、発電用空気供給部１２から所定量を上回る空気量が供給されたり、外気へ向かう大きなドラフトにより、所定の空気比を上回ったりする状態で燃焼し、火炎が炎孔に付着できずに浮き上がり（リフト）が生じて、火炎安定性を確保できない燃焼状態を意味する。
【０１２８】
なお、外気へ向かうドラフトの通風力は、排ガスの温度、外気温度、排気経路の長さ等からほぼ推察できる。しかしながら、排気口近傍における強風の影響により、ドラフトの通風力が大きくなることがある。また、排気口の形状によってはドラフトへの影響度合いが異なる場合もある。このため、事前に固体酸化物形燃料電池システム１００において排気口近傍に吹く風の風速を変化させ、ドラフトの通風力がどのように変化した場合に、燃焼部１９における燃焼状態の悪化に対してどのように影響するかについて把握しておく構成としてもよい。
【０１２９】
一方、燃焼部１９における空気不足による不完全燃焼は、例えば、以下の場合に発生する、火炎安定性を確保できない燃焼状態を意味する。すなわち、発電用空気供給部１２から所定量を下回る空気量しか燃料電池モジュール１に供給されなかった場合、あるいは排気口に対し逆風が流れたり、給気経路または排気経路が閉塞したりした場合などに発生する燃焼状態である。これらの場合において、燃焼部１９において、所定の空気比を下回った状態で燃焼すると、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスは完全燃焼せず、排ガス中における一酸化炭素等の可燃性ガスの濃度が増大する。
【０１３０】
なお、排気口に対する逆風による、燃焼部１９での燃焼への影響は、排気口の形状によって異なる。このため、事前に固体酸化物形燃料電池システム１００において風速を変化させ、排気口における逆風による圧損がどのように変化した場合に、燃焼部１９における燃焼状態の悪化に対してどのように影響するかについて把握しておく構成としてもよい。
【０１３１】
また、燃焼部１９における空気不足による異常燃焼は、例えば、以下のような火炎安定性を確保できない燃焼状態を意味する。すなわち、燃料電池モジュール１が備える各機器の周囲が酸欠状態で、燃焼部１９内の酸素濃度が低下している状態において着火部８を動作させて燃焼させたため、火炎が炎孔から離れてリフトしたり、赤火（輝炎）となり、煤が発生したりするなどの燃焼状態を意味する。なお、空気不足による異常燃焼が発生している場合、運転を停止して機器の点検が必要となる。
【０１３２】
なお、固体酸化物形燃料電池システム１００が備える機器の周囲が酸欠状態になる場合とは、燃料電池モジュール１内が換気不足で、排ガスが燃料電池モジュール１内の所定の空間に滞留している場合である。また、固体酸化物形燃料電池システム１００を屋外に設置した場合についても、設置場所、または設置条件等により、酸欠状態になる危険性がある。そして、燃焼部１９において酸素濃度が低下した状態でアノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させると、ＣＯ濃度が著しく上昇する。このため、固体酸化物形燃料電池システム１００では、事前に燃焼部１９における酸素濃度の低下と排ガス中におけるＣＯ濃度の変化との対応関係を把握しておく構成としてもよい。
【０１３３】
また、図４に示すステップＳ１３において、制御部２１が温度検知部１８の検知結果に基づき、排ガス浄化部９の単位時間あたりの温度上昇値が所定値を上回ったと判定した場合、緊急に固体酸化物形燃料電池システム１００の発電運転を停止させる構成としてもよい。ステップＳ１３において排ガス浄化部９の単位時間あたりの温度上昇値が所定値を上回る場合は、例えば給気経路または排気経路に異物が混入して経路の大半が閉塞され燃焼状態が急激に悪化したと考えられるからであり、この場合、制御部２１は発電運転を緊急停止させるように固体酸化物形燃料電池システム１００の備える各部を制御する。
【０１３４】
以上の燃焼状態判定処理により燃焼状態の悪化の要因を判定すると、固体酸化物形燃料電池システム１００はそれぞれの要因を解消するように制御される。まず、図５を参照して制御部２１が空気過多による失火または異常燃焼が生じていると判定した場合における制御処理（空気過多による失火・異常燃焼に対する制御処理）ついて説明する。
【０１３５】
（空気過多による失火・異常燃焼に対する制御処理）
図５は、図２に示す固体酸化物形燃料電池システム１００において、空気過多による失火または異常燃焼に対する制御処理の一例を示すフローチャートである。まず、制御部２１は、燃料電池モジュール１に供給される発電用空気の流量を減少させるように、発電用空気流量調整部１６に制御指示する。発電用空気流量調整部１６は制御部２１からの制御指示に応じて、燃料電池モジュール１に供給する発電用空気の流量を減少させる（ステップＳ２１）。つまり、ステップＳ２１において、固体酸化物形燃料電池システム１００では、過多となっている発電用空気の流量を低減させることで、失火または異常燃焼に対する改善を試みている。例えば、固体酸化物形燃料電池システム１００が７Ａの発電量で発電運転している場合では、発電用空気流量調整部１６は発電用空気流量を５０ＮＬ／minから４０ＮＬ／minまで２０％程度減少させる構成とすることができる。ＴＤＲを変化させた場合であっても、空気過多による失火または異常燃焼を改善するためには、発電用空気流量は、２０％減少させるのが適正となる。
【０１３６】
発電用空気の流量を減少させた後、制御部２１は、電圧検知部２０の検知結果に基づきセルスタック４の電圧の降下値が増大したか判定するとともに、温度検知部１８の検知結果に基づき排ガス浄化部９の温度の上昇値が増大したか判定する（ステップＳ２２）。
【０１３７】
ここで制御部２１がセルスタック４の電圧の降下値が増大し、かつ排ガス浄化部９の温度の上昇値が増大したと判定した場合（ステップＳ２２において「ＹＥＳ」）、制御部２１は、燃料電池モジュール１に供給される燃料の流量を増加させるように、燃料流量調整部１４に制御指示する。燃料流量調整部１４は制御部２１からの制御指示に応じて、燃料電池モジュール１に供給する燃料の流量を増加させる（ステップＳ２３）。ステップＳ２２において「ＹＥＳ」の場合とは、供給する発電用空気の流量を低減させたが、失火または異常燃焼に対して改善が見られなかった場合である。この場合、次のステップＳ２３において、燃料の流量を増加させることで失火または異常燃焼の改善を試みている。例えば、固体酸化物形燃料電池システム１００が７Ａの発電量で発電運転している場合では、燃料流量調整部１４は燃料流量を２ＮＬ／minから２．１ＮＬ／minへと５％程度増加させる構成とすることができる。ＴＤＲを変化させた場合であっても、空気過多による失火または異常燃焼を改善するためには、燃料は５％増加させるのが適正となる。
【０１３８】
燃料の流量を増加させた後、制御部２１は、電圧検知部２０の検知結果に基づきセルスタック４の電圧の降下値が増大したか判定するとともに、温度検知部１８の検知結果に基づき排ガス浄化部９の温度の上昇値が増大したか判定する（ステップＳ２４）。
【０１３９】
ここで制御部２１がセルスタック４の電圧の降下値が増大し、かつ排ガス浄化部９の温度の上昇値が増大したと判定した場合（ステップＳ２４において「ＹＥＳ」）、制御部２１は、固体酸化物形燃料電池システム１００の運転を停止させるように制御する。具体的には、制御部２１は、補機２の各部に指示して燃料、改質用空気、発電用空気、および改質水の燃料電池モジュール１への供給を停止させ、該燃料電池モジュール１の運転を停止させる（ステップＳ２５）。
【０１４０】
ステップＳ２４において「ＹＥＳ」の場合、燃焼部１９において過多となる空気量が著しく大きく、発電用空気の流量を低減させたり、燃料の供給量を増加させたりしただけでは異常燃焼を解消できない場合である。この場合、燃焼部１９で生成され排ガス浄化部９に流入する排ガス中のＣＯ濃度が大幅に悪化（例えば、１０００ｐｐｍ以上）しており、排ガス浄化部９内に設けた浄化触媒３０を劣化させる可能性がある。このため、固体酸化物形燃料電池システム１００の発電運転を停止させ、燃焼部１９において空気過多が顕著になった原因を検討するために固体酸化物形燃料電池システム１００の発電運転を停止させるのが妥当である。
【０１４１】
一方、ステップＳ２２において「ＮＯ」の場合、あるいはステップＳ２４において「ＮＯ」の場合、制御部２１は、発電用空気の流量を減少させることで燃焼状態が改善したか、あるいは燃料の流量を増加させることで燃焼状態が改善したか確認する処理に移る。より具体的には、ステップＳ２２において「ＮＯ」の場合、あるいはステップＳ２４において「ＮＯ」の場合、制御部２１は、電圧検知部２０の検知結果に基づきセルスタック４の電圧の降下を検知したか判定するとともに、温度検知部１８の検知結果に基づき排ガス浄化部９の温度の上昇を検知したか判定する（ステップＳ２６）。ここで、制御部２１は、セルスタック４の電圧の降下が検知されず、かつ排ガス浄化部９の温度の上昇が検知されなかった場合（ステップＳ２６において「ＮＯ」）に、燃焼部１９における燃焼状態が改善したと判定する（ステップＳ２７）。
【０１４２】
なお、燃焼部１９において部分的に発生していた失火が、徐々に回復して正常な状態の火炎が形成されるまでには、燃料電池モジュール１全体の熱収支も変化していくため、セルスタック４の電圧の降下、および排ガス浄化部９の温度の上昇を検知しなくなるまでには所定時間を要する。
【０１４３】
また、ステップＳ２６において、制御部２１がセルスタック４の電圧の降下を検知し、かつ排ガス浄化部９の温度の上昇を検知した場合（ステップＳ２６において「ＹＥＳ」）は、ステップＳ２１に戻り、ステップＳ２１以降の処理を繰り返す。このように空気過多による失火または異常燃焼に対する制御処理の処理フローを繰り返し、セルスタック４の電圧の降下、および排ガス浄化部９の温度の上昇を検知しなくなった場合には、燃焼部１９における燃焼状態が改善したと判定する。このフローを繰り返す場合には、発電用空気流量の減少量と、燃料流量の増加量を所定値まで大きくする構成であっても良い。
【０１４４】
なお、図５に示す空気過多による失火または異常燃焼に対する制御処理では、制御部２１は、ステップＳ２１でまず、発電用空気の流量を減少させ、セルスタック４の電圧の降下値が増大し、かつ排ガス浄化部の温度の上昇値が増大したか判定した。そして、その後にステップＳ２３で、燃料の流量を減少させ、さらにセルスタック４の電圧の降下値が増大し、かつ排ガス浄化部の温度の上昇値が増大したか判定した。しかしながら、制御部２１は、ステップＳ２１とステップＳ２３の順番を逆にして制御処理を実施してもよい。ただし、発電用空気の流量を調整する方が燃料の流量を調整するよりも固体酸化物形燃料電池システム１００における発電運転への影響が小さいため、ステップＳ２１を先に実施し燃焼状態の改善を確認する方が有利である。
【０１４５】
また、図５に示す空気過多による失火または異常燃焼に対する制御処理では、制御部２１は、ステップＳ２１でまず、発電用空気の流量を減少させ、続くステップＳ２２においてセルスタック４の電圧の降下値が増大し、かつ排ガス浄化部の温度の上昇値が増大したか判定した。さらにステップＳ２３で、燃料の流量を増加させ、続くステップＳ２４においてセルスタック４の電圧の降下値が増大し、かつ排ガス浄化部の温度の上昇値が増大したか判定した。しかしながら、空気過多による失火または異常燃焼に対する制御処理はこれに限定されるものではない。例えば、制御部２１が、ステップＳ２３およびステップＳ２４の処理については実施しない構成としてもよい。あるいは、制御部２１が、ステップＳ２１およびステップＳ２２の処理については実施しない構成としてもよい。ただし、固体酸化物形燃料電池システム１００のようにステップＳ２１およびＳ２２と、ステップＳ２３およびＳ２４との両方の処理を実施できる構成とする方がより燃焼状態を改善させる可能性が高くなるという点で有利である。
【０１４６】
（空気不足による不完全燃焼・異常燃焼に対する制御処理）
次に、図６を参照して制御部２１が空気不足による不完全燃焼または異常燃焼が生じていると判定した場合における制御処理ついて説明する。図６は、図２に示す固体酸化物形燃料電池システム１００において、空気不足による不完全燃焼または異常燃焼に対する制御処理の一例を示すフローチャートである。
【０１４７】
まず、制御部２１は、燃料電池モジュール１に供給される発電用空気の流量を増加させるように、発電用空気流量調整部１６に制御指示する。発電用空気流量調整部１６は制御部２１からの制御指示に応じて、燃料電池モジュール１に供給する発電用空気の流量を増加させる（ステップＳ３１）。つまり、ステップＳ３１において、固体酸化物形燃料電池システム１００では、不足している発電用空気の流量を増加させることで、不完全燃焼または異常燃焼に対する改善を試みている。例えば、固体酸化物形燃料電池システム１００が７Ａの発電量で発電運転している場合では、発電用空気流量調整部１６は発電用空気流量を５０ＮＬ／minから６０ＮＬ／minまで２０％程度増加させる構成とすることができる。ＴＤＲを変化させた場合であっても、空気不足による不完全燃焼または異常燃焼を改善するためには、発電用空気流量は、２０％増加させるのが適正となる。
【０１４８】
発電用空気の流量を増加させた後、制御部２１は、電圧検知部２０の検知結果に基づきセルスタック４の電圧の降下値が増大したか判定するとともに、温度検知部１８の検知結果に基づき排ガス浄化部９の温度の上昇値が増大したか判定する（ステップＳ３２）。
【０１４９】
ここで制御部２１がセルスタック４の電圧の降下値が増大し、かつ排ガス浄化部９の温度の上昇値が増大したと判定した場合（ステップＳ３２において「ＹＥＳ」）、制御部２１は、制御部２１は、固体酸化物形燃料電池システム１００の運転を停止させるように制御する。具体的には、制御部２１は、補機２の各部に指示して燃料、改質用空気、発電用空気、および改質水の燃料電池モジュール１への供給を停止させ、該燃料電池モジュール１の運転を停止させる（ステップＳ３４）。
【０１５０】
すなわち、ステップＳ３２において「ＹＥＳ」の場合、燃料電池モジュール１が備える各機器の周囲が酸欠状態となり、燃焼部１９における酸素濃度が低下した状態で燃焼させている可能性がある。このような状態で固体酸化物形燃料電池システム１００の発電運転を継続させると、燃焼部１９における燃焼状態の悪化がさらに進行することになる。このため、固体酸化物形燃料電池システム１００の管理者は、発電運転を停止させて機器の周囲が酸欠状態になっているか否かを確認することが重要となる。
【０１５１】
ここで、機器の周囲が酸欠状態になっていないと確認がとれた場合、燃焼部１９では空気の不足量が著しく大きくなっていると考えられる。このように燃焼部１９において空気の不足量が著しく大きくなった場合、排ガス浄化部９に流入する排ガス中のＣＯ濃度が大幅に悪化（例えば、１０００ｐｐｍ以上）する。このため、排ガス浄化部９内に設けた浄化触媒３０を劣化させる可能性があるため、やはり固体酸化物形燃料電池システム１００の発電運転を停止させ、給気経路または排気経路の閉塞等を主体に管理者は空気不足が顕著になった原因を検討する必要がある。
【０１５２】
一方、ステップＳ３２において「ＮＯ」の場合、制御部２１は、電圧検知部２０の検知結果に基づきセルスタック４の電圧の降下を検知したか判定するとともに、温度検知部１８の検知結果に基づき排ガス浄化部９の温度の上昇を検知したか判定する（ステップＳ３４）。ここで、制御部２１は、セルスタック４の電圧の降下が検知されず、かつ排ガス浄化部９の温度の上昇が検知されなかった場合（ステップＳ３４において「ＮＯ」）、燃焼部１９における燃焼状態が改善したと判定する（ステップＳ３５）。
【０１５３】
また、ステップＳ３４において、制御部２１がセルスタック４の電圧の降下を検知し、かつ排ガス浄化部９の温度の上昇を検知した場合（ステップＳ３４において「ＹＥＳ」）は、ステップＳ３１に戻り、ステップＳ３１以降の処理を繰り返す。このように空気不足による不完全燃焼または異常燃焼に対する制御処理の処理フローを繰り返し、セルスタック４の電圧の降下、および排ガス浄化部９の温度の上昇を検知しなくなった場合には、燃焼部１９における燃焼状態が改善したと判定する。このフローを繰り返す場合には、発電用空気流量の減少量と、燃料流量の増加量を所定値まで大きくする構成であっても良い。
【０１５４】
以上のように固体酸化物形燃料電池システム１００が燃焼状態判定処理、ならびに空気過多による失火または異常燃焼に対する制御処理および空気不足による不完全燃焼または異常燃焼に対する制御処理を実施することで、燃焼部１９における燃焼状態の悪化を判定し、悪化の要因に合わせた制御により燃焼状態の改善を図ることができる。
【０１５５】
また、実機において、燃料供給部１０および発電用空気供給部１２の性能のばらつきを考慮すると、燃焼部１９は、燃焼範囲が広く、供給される燃料流量や空気流量が変動したとしても燃焼状態が悪化し難い構成であることが理想である。しかしながら、上記した固体酸化物形燃料電池システム１００の制御処理により、燃焼部１９の燃焼範囲が狭く、燃料流量や空気流量の変動に応じて燃焼状態が悪化しやすい構成の場合であっても、燃焼状態を改善させ、また可燃性ガスを系外に排気させないため安全性を確保できる。また、排ガス中のＣＯ濃度の急激な増加を抑えることができるため浄化触媒３０など消耗部品の劣化を抑制することが可能となる。
【０１５６】
また、固体酸化物形燃料電池システム１００は、上記したように、従来、困難とされていた部分的に発生する失火または火炎安定性の低下に伴う異常燃焼を的確に判定することができるとともに、一酸化炭素等の可燃性ガスの排出も抑制できる。また、燃焼部１９における燃焼状態の悪化の判定に用いるセルスタック４の電圧の降下と排ガス浄化部９の温度上昇は、燃焼状態の悪化に対して応答性が優れている。このため、燃焼状態の悪化に対する検知が早く、信頼性の高い判定を実現できる。また、空気過多による失火または異常燃焼に対する制御処理および空気不足による不完全燃焼または異常燃焼に対する制御処理では、発電用空気の流量および燃料の流量を変更させるだけであるため、その制御を簡易なものとすることができる。また、燃焼状態の悪化を判定するにあたり排ガス浄化部９に温度検知部１８を設け、セルスタック４に電圧検知部２０を設けた構成とするだけでよく低コスト化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５７】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、簡易な制御処理により燃焼状態の悪化を的確に判定し、一酸化炭素等の可燃性ガスの排出を抑制することができ、家庭用燃料電池システム、業務用燃料電池システム、あるいは各種電源供給システム等の用途に応用できる。
【符号の説明】
【０１５８】
１  燃料電池モジュール
２  補機
３  セル
４  セルスタック
５  燃焼室
６  改質部
７  空気予熱部
８  着火部
９  排ガス浄化部
１０  燃料供給部
１１  改質用空気供給部
１２  発電用空気供給部
１３  水供給部
１４  燃料流量調整部
１５  改質用空気流量調整部
１６  発電用空気流量調整部
１７  水流量調整部
１８  温度検知部
１９  燃焼部
２０  電圧検知部
２１  制御部
３０  浄化触媒
３１  浄化触媒容器
１００  固体酸化物形燃料電池システム
【図１】
2016207563.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2016207563.tif 000006
【図５】
2016207563.tif 000007
【図６】
2016207563.tif 000008