(57)【要約】【課題】固体酸化物型燃料電池において、起動工程時に専用の加熱ヒータを使用せずに燃焼触媒を容易に加熱可能なもの、等を提供することである。【解決手段】固体酸化物型燃料電池１は、発電を行う燃料電池発電モジュール２と、燃料電池発電モジュール２で発電に寄与しなかった改質燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼した後の排気を流通させる排気通路１６と、この排気通路１６の途中部に設置され且つ燃焼後の排気に含まれる有害物質を再燃焼させる燃焼触媒３５と、固体酸化物型燃料電池１の起動工程において、燃料電池発電モジュール２の着火動作後に、燃料電池発電モジュール２に供給される燃料ガス量を、燃料電池セルスタック２１の燃焼を維持可能な最低流量以上、且つ燃料電池セルスタック２１の炎孔４７で火炎リフトが発生しない最大流量以下に調整する燃焼改善運転を行う制御ユニット９とを備えている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを水蒸気改質して生成した改質燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池発電モジュールの燃料電池セルスタックに供給して発電運転を行う固体酸化物型燃料電池において、
前記燃料電池発電モジュールで発電に寄与しなかった前記改質燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼した後の排気を流通させる排気通路と、この排気通路の途中部に設置され且つ燃焼後の排気に含まれる有害物質を再燃焼させる燃焼触媒とを備え、
前記固体酸化物型燃料電池の起動工程において、前記燃料電池発電モジュールの着火動作後に、前記燃料電池発電モジュールに供給される燃料ガス量を、前記燃料電池セルスタックの燃焼を維持可能な最低流量以上、且つ前記燃料電池セルスタックの炎孔で火炎リフトが発生しない最大流量以下に調整する燃焼改善運転を行う制御手段を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
前記燃焼触媒の温度を検知する燃焼触媒用温度検知手段を備え、
前記制御手段は、前記燃焼触媒用温度検知手段によって検知された検知温度が設定温度以上になった場合に、前記燃焼改善運転を終了することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池セルスタックの温度を検知するセルスタック用温度検知手段を備え、
前記制御手段は、前記セルスタック用温度検知手段によって検知された検知温度に応じて、前記燃料ガス量を前記火炎リフトが発生しない最大流量を越えない範囲で増加させることを特徴とする請求項１又は２に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関し、特に起動工程時における燃料電池発電モジュールから有害物質の排出を防止する技術を改善したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ジルコニア等のイオン伝導性セラミックスを使用した電解質を挟み込むように１対の電極（酸素極及び燃料極）を設け、酸素極（カソード）側に酸化剤ガスを供給し、燃料極（アノード）側に改質燃料ガス（水素含有ガス）を供給して、これらを高温環境下で反応させることで電力を発生させる固体酸化物型燃料電池が実用に供されている。
【０００３】
上記の固体酸化物型燃料電池は、酸化剤ガスと改質燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタックとこの燃料電池セルスタックに供給する改質燃料ガスを純水（水蒸気）と燃料ガスから生成する燃料改質器及び蒸発器とオフガスを燃焼処理するオフガス燃焼室等を有する燃料電池発電モジュール、この燃料電池発電モジュールからの排気を外部に排出する為の排気通路、この燃料電池発電モジュールに酸化剤ガスや燃料ガス及び純水等を供給する各種供給装置や各種器具を制御する制御ユニット等を備えている。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池発電モジュールにおいて、オフガス燃焼室で発電に寄与しなかった未反応の改質燃料ガスや酸化剤ガスを燃焼処理して排出した排気中には、不完全燃焼によって発生した一酸化炭素等の有害物質が残留している可能性がある。このため、排気通路の途中部に、例えば白金等の金属触媒をコーティングしたセラミック構造体からなる燃焼触媒を設置し、この燃焼触媒を介して排気中に残留する有害物質を再燃焼することで、排気を浄化している。
【０００５】
しかし、一般的に、上記の燃焼触媒は、活性化されていない温度帯では燃焼性を十分に確保できない。特に、固体酸化物型燃料電池の起動工程時においては、燃料電池発電モジュールは高温状態ではないので、燃焼触媒は活性温度に達しておらず、起動工程時に燃料電池セルスタックを発電可能な温度まで上昇させる為に供給された燃料ガスが、燃料電池発電モジュールで反応・燃焼されずに排気中に残留してしまうと、燃焼触媒はその能力を十分に発揮できず、有害物質を含んだ排気を外部に排出してしまうという問題がある。
【０００６】
そこで、上記の問題を解決する為に、従来では、燃焼触媒に専用の加熱ヒータを設置し、固体酸化物型燃料電池の起動工程時に、燃料電池発電モジュールに燃料ガスを供給する前に、加熱ヒータによって燃焼触媒を直接加熱し、燃焼触媒が活性化される活性温度まで一気に上昇させた後に、燃料電池発電モジュールに燃料ガスを多めに供給して着火動作を行い、そして、燃料電池セルスタックを発電可能な温度まで速やかに上昇させる起動動作を実行する技術が一般に知られている。
【０００７】
また、燃焼触媒を加熱する技術として、例えば、特許文献１の燃料電池発電システムには、排気を浄化する為の燃焼触媒ではなく熱交換器（燃料電池）を加熱する為の燃焼触媒ではあるが、システム起動時に、触媒燃焼器（燃焼触媒）に対して、先ずは、エアポンプの駆動を介して空気のみを供給し、次に、触媒温度に応じた第１濃度の燃料ガスを供給することで、燃焼触媒の温度を速やかに上昇させて燃焼触媒の活性を促進し、次に、触媒温度が所定温度以上になった場合に、第１濃度より低い第２濃度の燃料ガスを供給し、燃料ガスの消費効率を良好に維持しつつ、触媒の劣化を抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４３２３２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上述したような従来技術において、固体酸化物型燃料電池の起動工程時に、燃焼触媒を活性温度に上昇させる為に加熱ヒータを利用する構造では、燃焼触媒専用の加熱ヒータを予め設置する必要があり、さらに、この燃焼触媒専用の加熱ヒータは、起動工程後の通常発電運転に移行した後は殆ど使用されず、起動工程時の短時間のみの使用に限定されるため、部品点数が増加してコスト高となってしまう。このため、燃焼触媒用の加熱ヒータは極力省略したいという要求がある。
【００１０】
そこで、排気通路に設置された燃焼触媒を加熱する技術に対して、特許文献１の燃料電池発電システムにおける起動工程時に濃度の高い燃料ガスを供給して燃焼触媒の温度を速やかに上昇させて活性を促進する技術を利用した場合、起動工程時に燃料ガスを多めに供給すると、低温状態の燃料電池セルスタックの燃焼速度は遅いので、燃料電池発電モジュールの燃焼性が悪化し、これにより、燃料電池発電モジュールから有害物質を含む排気が、活性温度に達していない燃焼触媒に流れ、排気が浄化されずに外部に排出されるという問題が生じてしまう。
【００１１】
本発明の目的は、固体酸化物型燃料電池において、起動工程時に専用の加熱ヒータを使用せずに燃焼触媒を容易に加熱可能なもの、起動工程時に燃料電池発電モジュールの燃焼性の悪化を防止可能なもの、等を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の固体酸化物型燃料電池は、燃料ガスを水蒸気改質して生成した改質燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池発電モジュールの燃料電池セルスタックに供給して発電運転を行う固体酸化物型燃料電池において、前記燃料電池発電モジュールで発電に寄与しなかった前記改質燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼した後の排気を流通させる排気通路と、この排気通路の途中部に設置され且つ燃焼後の排気に含まれる有害物質を再燃焼させる燃焼触媒とを備え、前記固体酸化物型燃料電池の起動工程において、前記燃料電池発電モジュールの着火動作後に、前記燃料電池発電モジュールに供給される燃料ガス量を、前記燃料電池セルスタックの燃焼を維持可能な最低流量以上、且つ前記燃料電池セルスタックの炎孔で火炎リフトが発生しない最大流量以下に調整する燃焼改善運転を行う制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１３】
請求項２の固体酸化物型燃料電池は、請求項１の発明において、前記燃焼触媒の温度を検知する燃焼触媒用温度検知手段を備え、前記制御手段は、前記燃焼触媒用温度検知手段によって検知された検知温度が設定温度以上になった場合に、前記燃焼改善運転を終了することを特徴としている。
【００１４】
請求項３の固体酸化物型燃料電池は、請求項１又は２の発明において、前記燃料電池セルスタックの温度を検知するセルスタック用温度検知手段を備え、前記制御手段は、前記セルスタック用温度検知手段によって検知された検知温度に応じて、前記燃料ガス量を前記火炎リフトが発生しない最大流量を越えない範囲で増加させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、この固体酸化物型燃料電池が備えた制御手段は、固体酸化物型燃料電池の起動工程において、燃料電池発電モジュールの着火動作後に、燃料電池発電モジュールに供給される燃料ガス量を、燃料電池セルスタックの燃焼を維持可能な最低流量以上、且つ燃料電池セルスタックの炎孔で火炎リフトが発生しない最大流量以下に調整する燃焼改善運転を行うので、燃料電池発電モジュールの着火動作後に、燃料電池セルスタックに燃焼性の良い範囲の燃料ガスを供給することで、燃料ガスを完全に燃焼することができる。
【００１６】
従って、起動工程の開始時における燃焼改善運転の実行中に、燃料電池発電モジュールからの排気中に有害物質が含まれるのを極力防止することができるので、この有害物質を含まない排気の温度を利用することで、排気通路の途中部に設置された燃焼触媒に専用の加熱ヒータを追加的に設けずとも、低コストで且つ簡単な構造でもって、起動工程の開始時に燃焼触媒を加熱することができる。
【００１７】
また、燃焼触媒を加熱する為に排気を利用する際に、燃料電池発電モジュールで有害物質が含まないように燃料ガスを完全に燃焼するので、起動工程時に燃料電池発電モジュールの燃焼性の悪化を防止することができる。
【００１８】
請求項２の発明によれば、制御手段は、燃焼触媒用温度検知手段によって検知された検知温度が設定温度以上になった場合に、燃焼改善運転を終了するので、燃焼触媒が活性温度に達して燃焼改善運転が終了した後に、燃料電池発電モジュールに供給される燃料ガス量を増加することで、燃料電池セルスタックを発電可能な温度まで速やかに上昇させることができる。
【００１９】
請求項３の発明によれば、制御手段は、セルスタック用温度検知手段によって検知された検知温度に応じて、燃料ガス量を火炎リフトが発生しない最大流量を越えない範囲で増加させるので、燃料電池セルスタックの温度に応じて、燃料ガス量を燃焼性の良い範囲内で徐々に増加することで、燃焼触媒を有害物質を含まない排気によって加熱しつつ、燃料電池セルスタックの温度を速やかに上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例１に係る固体酸化物型燃料電池の概略構成図である。
【図２】燃料電池発電モジュールの概略構成図である。
【図３】燃料電池セルの部分拡大断面図である。
【図４】燃焼改善運転を含む起動運転の制御フローチャートである。
【図５】燃料電池発電モジュールへの燃料ガスの供給量の時間に対する変化を示す線図である。
【図６】実施例２に係る燃料電池発電モジュールへの燃料ガスの供給量の時間に対する変化を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２２】
先ず、固体酸化物型燃料電池１の全体構成について説明する。
図１に示すように、固体酸化物型燃料電池１は、燃料電池発電モジュール２、改質用空気供給装置３、発電用空気供給装置４、燃料ガス供給装置５、排熱回収装置６、純水供給装置７、パワーコンディショナユニット８、制御ユニット９等を備え、燃料電池発電モジュール２にて発電された直流電力がパワーコンディショナユニット８を介して交流電力に変換されて外部に出力される。
【００２３】
図１に示すように、固体酸化物型燃料電池１は、各種器具や各種配管等が外装ケース１１に収納されて構成されている。外装ケース１１の内部は、フレーム部材１２によって、燃料電池発電モジュール２が収納された上側発電室１１Ａと、各種の供給装置３〜５，７や排熱回収装置６等の補機類、パワーコンディショナユニット８、制御ユニット９等が収納された下側補機室１１Ｂとに仕切られている。
【００２４】
尚、この固体酸化物型燃料電池１は、例えば、排熱回収装置６の熱交換器による熱交換後の湯水を貯湯する貯湯給湯装置と、この貯湯給湯装置と固体酸化物型燃料電池１とに亙って湯水を循環させる為の排熱回収循環回路等と組み合わせることで燃料電池コージェネレーションシステムを構成することができるが、固体酸化物型燃料電池１以外の構成の詳細な説明は省略する。
【００２５】
次に、各種の供給装置３〜５，７や排熱回収装置６等の補機類について説明する。
図１，図２に示すように、改質用空気供給装置３は、外部から燃料改質用の空気を改質用空気ブロワ（図示略）に取り込み、この取り込まれた空気を改質用空気通路１３を介して燃料電池発電モジュール２の蒸発器２２及び燃料改質器２３に供給する。
【００２６】
発電用空気供給装置４は、外部から空気を発電用空気ブロワ（図示略）に取り込み、この取り込まれた空気を酸化剤ガスとして、発電用空気通路１４を介して燃料電池発電モジュール２の空気用熱交換器２５に供給する。
【００２７】
燃料ガス供給装置５は、図示外のガス供給源からの燃料ガスを燃料昇圧ブロワ（図示略）に取り込み、この昇圧された燃料ガスを脱硫器を通して脱硫し、この脱硫された燃料ガスを燃料ガス供給通路１５を介して燃料電池発電モジュール２の蒸発器２２及び燃料改質器２３に供給する。
【００２８】
排熱回収装置６は、排気通路１６の途中部に設けられ、排熱回収循環回路を流れる湯水を利用して、排気通路１６を流れる燃料電池発電モジュール２から排出された排気ガスから排熱を回収する。
【００２９】
純水供給装置７は、排熱回収装置６で排気を冷却して発生した凝縮水を回収し、凝縮水から不純物を取り除いて生成された純水を貯留した後に純水供給通路１７を介して燃料電池発電モジュール２の蒸発器２２及び燃料改質器２３に供給する。
【００３０】
パワーコンディショナユニット８は、燃料電池発電モジュール２にて発電された電力を変換する為のものであり、例えば、燃料電池発電モジュール２にて発電された直流電力を、通常の住宅で利用可能な１００Ｖの交流電力に変換して、配線を介して分電盤に出力する。制御ユニット９は、マイコン等から構成され、各種のセンサからの信号を受信して各種の器具の動作制御を実行するものである。
【００３１】
次に、燃料電池発電モジュール２について説明する。
図１，図２に示すように、燃料電池発電モジュール２は、燃料電池セルスタック２１、オフガス燃焼室２４、このオフガス燃焼室２４の燃焼ガスによって加熱される蒸発器２２、燃料改質器２３及び空気用熱交換器２５等を備え、燃料改質器２３によって改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池セルスタック２１で高温の環境下で化学反応させることで発電を行うものである。
【００３２】
燃料電池発電モジュール２の各種の器具は、石膏ボードからなる断熱材２６に覆われて薄鋼板製の直方体状のケース部材２７に収納されている。各種の器具の配置構造を簡単に説明すると、図２に示すように、ケース部材２７の内部において、蒸発器２２と燃料改質器２３と空気用熱交換器２５等は上部に配置され、燃料電池セルスタック２１は下部に配置されている。
【００３３】
燃料電池セルスタック２１は、複数（例えば１２０〜１４０本）の燃料電池セル２１ａを並べて構成されている。図３に示すように、各燃料電池セル２１ａは、上下方向に延びる筒形構造体に構成され、円筒形状の内側の燃料極４１と、円筒形状の外側の酸素極４２と、内側の燃料極４１と外側の酸素極４２とに挟まれるように設けられたジルコニア等の固体電解質４３とを備えている。
【００３４】
内側の燃料極４１の内部に燃料ガス通路４４が形成されている。各燃料電池セル２１ａの上端部には、キャップ部材４５が設けられ、このキャップ部材４５の内側に、燃料ガス通路４４に連通する燃料ガス通路４６が形成されている。キャップ部材４５の上端部には、燃料ガス通路４６から残余燃料ガスが噴出される炎孔４７が形成されている。尚、複数の燃料電池セル２１ａを電気的に相互に接続する構造は、公知の構造であるので、ここでは説明は省略する。
【００３５】
各燃料電池セル２１ａの燃料極４１側（各燃料電池セル２１ａの内部の燃料ガス通路４６）には、燃料改質器２３からマニホールド２８を介して改質燃料ガスが供給され、各燃料電池セル２１ａの酸素極４２側（各燃料電池セル２１ａの外部）には、空気用熱交換器２５から酸化剤ガスが供給され、これらを高温の環境下で電気化学反応させて直流電力を生成する。
【００３６】
蒸発器２２は、燃料ガスに混合する為の水蒸気を純水から生成して燃料改質器２３に供給するものである。燃料改質器２３は、ニッケルや白金等の改質触媒を有し、脱硫された燃料ガスと水蒸気と（起動時には改質用空気と）を混合して反応（水蒸気改質、部分酸化改質等）させて改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスを燃料電池セルスタック２１の燃料極４１側に供給する。
【００３７】
オフガス燃焼室２４は、燃料電池セルスタック２１の発電に伴い生じる残余燃料ガス（発電に寄与しなかった未使用の改質燃料ガスと酸化剤ガス）を燃焼処理する為のものであり、燃料電池セルスタック２１の燃料電池セル２１ａの燃料極４１側及び酸素極４２側の各排出側と接続されている。オフガス燃焼室２４では、燃料極４１側（炎孔４７）から排出された残余燃料ガスと、酸素極４２側から排出された酸素を含む空気とを燃焼させることによって高温の排気を生成し、この排気で燃料改質器２３等を加熱してから、排気通路１６を介して外部に排出する。
【００３８】
オフガス燃焼室２４に、着火装置２９が設置されている。この着火装置２９は、燃料電池セルスタック２１から排出される残余燃料ガスに着火する為のものであり、固体酸化物型燃料電池１の起動工程の開始時に着火動作を実行する際に、電気ヒータを加熱することで、燃料電池セルスタック２１の炎孔４７から噴出される残余燃料ガスに火炎を生じさせることができる。
【００３９】
排気通路１６は、燃料電池発電モジュール２での燃焼後の排気を流通させる為のものであり、燃料電池発電モジュール２の排気口と外部とを連通するように設置されている。排気通路１６の途中部に、燃焼触媒３５が設置されている。この燃焼触媒３５は、触媒が活性する活性温度（例えば２００〜３５０℃程度）状態において、燃焼後の排気に含まれ有害物質（不完全燃焼によって発生した一酸化炭素等）を再燃焼する為のものであり、例えば白金等の金属触媒をコーティングしたセラミック構造体からなるが、特に限定する必要はなく、公知のものであるので、その材質及び構造は適宜変更可能である。
【００４０】
尚、燃料電池発電モジュール２から排出される排気は、排気通路１６の燃焼触媒３５の下流側に設けられた排熱回収装置６の熱交換器（図示略）にて排熱回収循環回路を循環する湯水との間で熱交換され温度が低下した後に外部に排出される。排気中に含まれる水蒸気は、熱交換によって冷却されて凝縮水となる。
【００４１】
制御ユニット９に検知信号を送信する各種のセンサのうちの１つであるセルスタック用温度センサ３１（セルスタック用温度検知手段に相当する）が、複数の燃料電池セル２１ａのうちの１本の燃料電池セル２１ａの中段部に設けられ、燃焼触媒用温度センサ３６（燃焼触媒用温度検知手段に相当する）が、排気通路１６の燃焼触媒３５の下流側に設けられている。
【００４２】
セルスタック用温度センサ３１は、燃料電池セルスタック２１の温度を検知し、燃焼触媒用温度センサ３６は、排気通路１６を流れる排気の温度を介して燃焼触媒３５の温度を検知して、これら検知信号を制御ユニット９に送信し、制御ユニット９は、これら検知信号に基づいて燃料電池セルスタック２１の温度や燃焼触媒３５の温度を算出する。
【００４３】
次に、本発明に関連する固体酸化物型燃料電池１の起動工程における燃焼改善運転について説明する。
制御ユニット９は、固体酸化物型燃料電池１の起動工程において、燃料電池発電モジュール２の着火動作後に、燃料電池発電モジュール２に供給される燃料ガス量を、燃料電池セルスタック２１の燃焼を維持可能な最低流量以上、且つ燃料電池セルスタック２１の炎孔４７で火炎リフトが発生しない最大流量以下に調整する燃焼改善運転制御を実行可能である。
【００４４】
さらに、制御ユニット９は、燃焼改善運転時に、セルスタック用温度センサ３１によって検知された検知温度に応じて、燃料ガス量を火炎リフトが発生しない最大流量を越えない範囲で増加させ、燃焼触媒用温度センサ３６によって検知された検知温度が設定温度（燃焼触媒３５が活性化する温度、例えば２００℃）以上になった場合に、燃焼改善運転を終了する制御を実行可能である。
【００４５】
次に、固体酸化物型燃料電池１の起動工程において、制御ユニット９により自動的に実行される、燃焼改善運転制御を含む起動運転制御について、図４のフローチャートに基づいて説明する。尚、図中の符号Ｓｉ（ｉ=１，２，・・）は各ステップを示す。この燃焼改善運転制御プログラムは、制御ユニット９に予め格納されている。
【００４６】
図４のフローチャートにおいて、この制御が開始されると、最初にＳ１において、ユーザーの操作や各種のセンサの検知信号等に基づいて、固体酸化物型燃料電池１による発電運転の開始（起動）条件が成立しているか否かを判定する。発電運転を開始する為の条件が成立している場合には、Ｓ１の判定がＹｅｓとなり、Ｓ２に移行し、Ｓ１の判定がＮｏのうちはリターンする。
【００４７】
次に、Ｓ２において、制御ユニット９は、燃料電池発電モジュール２へ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して着火動作を実行する。即ち、制御ユニット９は、燃料電池発電モジュール２へ供給される燃料ガス量を設定流量（着火に必要な流量、例えば４ｌ／ｍｉｎ）に調整すると共に、酸化剤ガス量を燃料ガスに対して空燃比が１．５程度となるような所定流量に調整し、オフガス燃焼室２４の着火装置２９によって、燃料電池セルスタック２１の燃料極４１側から排出される燃料ガス及び酸化極４２側から排出される酸化剤ガスに着火し、Ｓ３に移行する。
【００４８】
次に、Ｓ３において、制御ユニット９は、燃料電池発電モジュール２へ供給される燃料ガスの絞り調整を行う燃焼改善運転を実行する。即ち、制御ユニット９は、燃料電池発電モジュール２へ供給される燃料ガス量を着火動作時より低い設定流量（例えば０．５ｌ／ｍｉｎ）に調整すると共に、酸化剤ガス量を燃料ガスに対して空燃比が着火動作時の空燃比より高い２．５〜３．０程度となるような所定流量に調整し、Ｓ４に移行する。
【００４９】
燃焼改善運転時における燃料ガスの設定流量は、低温状態の燃料電池セルスタック２１で完全に燃焼されて、燃料電池発電モジュール２からの排気に一酸化炭素等の有害物質が含まれない程度の流量に設定される。即ち、燃料ガスの設定流量は、着火動作後に、燃料電池セルスタック２１の燃焼を維持可能な最低流量以上、且つ燃料電池セルスタック２１の炎孔４７で火炎リフトが発生しない最大流量以下に調整される。
【００５０】
尚、燃焼改善運転時の空燃比は、空気の割合を多くする為に通常の発電運転時の空燃比（２．０程度）よりも高め（リーン状態）に設定され、着火動作時は、燃料ガスの割合を多くする為に通常の発電運転時の空燃比（２．０程度）よりも低め（リッチ状態）に設定されるのが望ましい。
【００５１】
次に、Ｓ４において、制御ユニット９は、セルスタック用温度センサ３１の検知信号を読み込み、この検知信号に基づいて、燃料電池セルスタック２１の温度（燃料電池発電モジュール２の温度）を算出し、Ｓ５に移行する。
【００５２】
次に、Ｓ５において、制御ユニット９は、セルスタック用温度センサ３１によって検知された検知温度に応じて、燃料電池セルスタック２１の温度が、所定温度（燃料ガス量をＳ３で設定された設定流量より増加しても火炎リフトが発生しない程度の温度）を越えている場合は、燃料ガス量を火炎リフトが発生しない最大流量を越えない範囲で徐々に増加させるように調整し、Ｓ６に移行する。
【００５３】
火炎リフトは、固体酸化物型燃料電池１の起動工程の開始時等において、燃料電池セルスタック２１の温度が低い場合に燃料ガス量を高くすると発生し易くなり、火炎リフトが発生すると、火炎の下端部と炎孔４７との間から燃料ガスがオフガス燃焼室２４に流れ、燃料電池発電モジュール２の燃焼性が悪化してしまう。
【００５４】
即ち、燃焼改善運転を開始した直後は、燃料電池セルスタック２１は低温状態であり、燃焼電池セルスタック２１の燃焼速度は遅いので、供給される燃料ガス量が多いと火炎リフトが発生する。このため、燃焼改善運転開始直後は、燃料ガスを、燃料電池セルスタック２１の燃焼を維持可能な最低流量程度に維持し、燃料電池セルスタック２１の温度が上昇してくると、燃焼電池セルスタック２１の燃焼速度は速くなるので、セルスタック用温度センサ３１の温度に応じて、火炎リフトが発生しない程度に燃料ガス量を徐々に増加させ、排気の温度を速やかに上昇させることで、燃焼触媒３５の温度上昇を速めることができる。
【００５５】
次に、Ｓ６において、制御ユニット９は、燃焼触媒用温度センサ３６の検知信号を読み込み、この検知信号に基づいて、燃焼触媒３５の温度を算出し、Ｓ７に移行し、燃焼触媒３５の温度が、設定温度（燃焼触媒３５の活性温度、例えば２００℃）以上か否かを判定し、燃焼触媒３５の温度が、設定温度以上の場合には、Ｓ７の判定がＹｅｓとなり、Ｓ８に移行し、Ｓ７の判定がＮｏのうちはＳ４〜Ｓ７を繰り返す。
【００５６】
次に、Ｓ８において、制御ユニット９は、燃料ガスの絞り調整を終了することで、燃焼改善運転を終了し、Ｓ９に移行し、通常の起動運転制御を実行してリターンする。即ち、制御ユニット９は、燃焼改善運転終了後は、燃料電池発電モジュール２へ供給される燃料ガス量を燃焼改善運転時より高い設定流量（例えば４．０ｌ／ｍｉｎ）に調整すると共に、酸化剤ガスを燃料ガスに対して空燃比が燃焼改善運転時より低い２．０程度となるような設定流量に調整することで、燃料電池セルスタック２１を発電可能な温度まで速やかに上昇させ、その後、固体酸化物型燃料電池１を通常の発電運転を行う発電工程に移行する。尚、制御ユニット９によって実行される燃焼改善運転は、図４のフローチャートのＳ３〜Ｓ８の制御に相当するものである。
【００５７】
次に、本発明の固体酸化物型燃料電池１の作用及び効果について説明する。
図５には、この起動工程の開始時において、着火動作後に燃焼改善運転制御を実行した際の、燃料電池発電モジュール２への燃料ガスの供給量の変化を図示している。図５中の仮想線は、燃焼改善運転を実行しない場合の燃料ガスの供給量の変化を図示している。即ち、従来では、燃料電池発電モジュール２の着火動作後、燃料ガス量は低減されるが、燃料電池セルスタック２１を極力速く発電可能な温度に到達させる為に、燃料ガスの供給量を急激に上昇させている。しかし、着火動作直後は、燃焼触媒３５は不活性な低温状態であるので、燃焼触媒３５によって排気は浄化されず、排気に含まれる有害物質が外部に排出されてしまう。尚、図５においては、時間間隔は、単に変化傾向を示すものであり、具体的な値を示しているものではない。
【００５８】
図５に示すように、固体酸化物型燃料電池１の起動工程において、着火動作開始時（時間ｔ１）に、燃料電池発電モジュール２への燃料ガス量を着火に必要な設定流量（例えば４．０ｌ／ｍｉｎ）に設定して供給し、燃焼改善運転開始時（時間ｔ２）に、燃料ガス量を着火動作時よりも低い設定流量（燃料電池セルスタック２１の燃焼を維持可能な最低流量、例えば０．５ｌ／ｍｉｎ）に設定して供給する。
【００５９】
次に、燃料電池セルスタック２１の温度が所定温度を越えた場合（時間ｔ３）に、燃料ガス量を火炎リフトが発生しない最大流量を越えない範囲で増加させ、次に、燃焼触媒３５が設定温度（例えば２００℃）以上になった場合（時間ｔ４）に、燃焼改善運転を終了し、燃料ガス量を燃焼改善運転時より高い設定流量（例えば４．０ｌ／ｍｉｎ）に設定して供給し、通常の起動動作を開始する。
【００６０】
以上説明したように、この固体酸化物型燃料電池１が備えた制御ユニット９は、固体酸化物型燃料電池１の起動工程において、燃料電池発電モジュール２の着火動作後に、燃料電池発電モジュール２に供給される燃料ガス量を、燃料電池セルスタック２１の燃焼を維持可能な最低流量以上、且つ燃料電池セルスタック２１の炎孔４７で火炎リフトが発生しない最大流量以下に調整する燃焼改善運転を行うので、燃料電池発電モジュール２の着火動作後に、燃料電池セルスタック２１に燃焼性の良い範囲の燃料ガスを供給することで、燃料ガスを完全に燃焼することができる。
【００６１】
従って、起動工程の開始時における燃焼改善運転の実行中に、燃料電池発電モジュール２からの排気中に有害物質が含まれるのを極力防止することができるので、この有害物質を含まない排気の温度を利用することで、排気通路１６の途中部に設置された燃焼触媒３５に専用の加熱ヒータを追加的に設けずとも、低コストで且つ簡単な構造でもって、起動工程の開始時に燃焼触媒３５を加熱することができる。
【００６２】
また、燃焼触媒３５を加熱する為に排気を利用する際に、燃料電池発電モジュール２で有害物質が含まないように燃料ガスを完全に燃焼するので、起動工程時に燃料電池発電モジュール２の燃焼性の悪化を防止することができる。
【００６３】
さらに、制御ユニット９は、燃焼触媒用温度センサ３６によって検知された検知温度が設定温度以上になった場合に、燃焼改善運転を終了するので、燃焼触媒３５が活性温度に達して燃焼改善運転を終了した後に、燃料電池発電モジュール２に供給される燃料ガス量を増加することで、燃料電池セルスタック２１を発電可能な温度まで速やかに上昇させることができる。
【００６４】
さらにまた、制御ユニット９は、セルスタック用温度センサ３１によって検知された検知温度に応じて、燃料ガス量を火炎リフトが発生しない最大流量を越えない範囲で増加させるので、燃料電池セルスタック２１の温度に応じて、燃料ガス量を燃焼性の良い範囲内で徐々に増加することで、燃焼触媒３５を有害物質を含まない排気によって加熱しつつ、燃料電池セルスタック２１の温度を速やかに上昇させることができる。
【実施例２】
【００６５】
次に、実施例１の燃焼改善運転制御を部分的に変更した実施例２について説明する。尚、実施例１では、燃料電池セルスタック２１の温度に応じて、燃料ガス量を徐々に増加するように制御しているが、実施例２では、燃焼触媒の温度が上昇するまで燃料ガス量を一定に維持するように制御する。
【００６６】
即ち、前記実施例１の図４のフローチャートにおけるＳ４とＳ５を省略し、Ｓ３において、制御ユニット９は、燃焼改善運転を実行すると、Ｓ６に移行し、燃焼触媒用温度センサ３６の検知信号を読み込み、この検知信号に基づいて、燃焼触媒３５の温度を算出し、Ｓ７に移行し、燃焼触媒３５の温度が、設定温度以上か否かを判定し、燃焼触媒３５の温度が、設定温度以上の場合には、Ｓ７の判定がＹｅｓとなり、Ｓ８に移行し、Ｓ７の判定がＮｏのうちはＳ６，Ｓ７を繰り返す。
【００６７】
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池１の起動工程において、着火動作開始時（時間ｔ１）に、燃料電池発電モジュール２への燃料ガス量を着火に必要な設定流量（例えば４．０ｌ／ｍｉｎ）に設定して供給し、燃焼改善運転開始時（時間ｔ２）に、燃料ガスを着火動作時よりも低い設定流量（燃料電池セルスタック２１の燃焼を維持可能な最低流量以上、且つ燃料電池セルスタック２１の炎孔４７で火炎リフトが発生しない最大流量以下、例えば０．５ｌ／ｍｉｎ）に設定して供給し続ける。
【００６８】
次に、燃焼触媒３５が設定温度（例えば２００℃）以上になった場合（時間ｔ５）に、燃焼改善運転を終了し、燃料ガス量を燃焼改善運転時より高い設定流量（例えば４．０ｌ／ｍｉｎ）に設定して供給し、通常の起動動作を開始する。尚、その他の構成、作用及び効果は実施例１と同様であるので、説明は省略する。
【００６９】
次に、前記実施例１，２を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例１，２において、セルスタック用温度センサ３１の取付け位置は、燃料電池発電モジュール２の温度を検知可能であれば、適宜変更可能であり、燃焼触媒用温度センサ３６の取付け位置も同様に、燃焼触媒３５の温度を検知可能であれば、適宜変更可能である。
【００７０】
［２］前記実施例１，２の燃焼改善運転制御において、種々の設定温度、所定温度、設定流量及び所定流量は、ほんの一例を示したに過ぎず、燃料電池セルスタック２１の能力や燃焼触媒３５の能力等に応じて適宜変更可能である。
【００７１】
［３］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。
【符号の説明】
【００７２】
１      固体酸化物型燃料電池
２      燃料電池発電モジュール
９      制御ユニット
１６    排気通路
２１    燃料電池セルスタック
３１    セルスタック用温度センサ（セルスタック用温度検知手段）
３５    燃焼触媒
３６    燃焼触媒用温度センサ（燃焼触媒用温度検知手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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