JP6070923B2

JP6070923B2 - 固体酸化物型燃料電池

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Publication number: JP6070923B2
Application number: JP2012141039A
Authority: JP
Inventors: 大塚　俊治; 俊治大塚; 勝久土屋; 卓哉松尾; 陽祐赤木
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2032-06-22
Also published as: US9236625B2; CN103782435A; EP2755268A4; US20140212778A1; EP2755268A1; WO2013035771A1; CN103782435B; JP2013069669A

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池に係わり、特に、燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させることにより電力を生成する固体酸化物型燃料電池に関する。

従来、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、起動工程において、燃料を改質器において改質する複数の工程、すなわち、部分酸化改質反応工程（ＰＯＸ工程）、オートサーマル改質反応工程（ＡＴＲ工程）、水蒸気改質反応工程（ＳＲ工程）を経て、発電工程へ移行するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

ＳＯＦＣでは、これらの工程を順に実行することにより、燃料電池モジュール収納室内に配置された改質器や燃料電池セルスタック等を動作温度まで昇温させることができる。即ち、固体酸化物型燃料電池の起動時においては、燃料を燃焼させることにより改質器が加熱され、改質器の温度が或る程度上昇すると、改質器内において、燃料と改質用の空気が反応することにより、発熱反応である部分酸化改質反応が発生する（ＰＯＸ工程）。次いで、燃料の燃焼熱及び部分酸化改質反応による反応熱により、さらに改質器の温度が上昇すると、改質器内に水が導入され、改質器内では、部分酸化改質反応に加え、吸熱反応である水蒸気改質反応が発生するようになる（ＡＴＲ工程）。さらに改質器の温度が上昇すると、改質用の空気の供給が停止され、改質器内においては水蒸気改質反応のみが発生するようになる（ＳＲ工程）。この水蒸気改質反応によって生成された水素により燃料電池セルスタックにおいて発電が行われる。

特開２００４−３１９４２０号公報

しかしながら、起動時において改質器を加熱するＰＯＸ工程において、改質器内で発生する部分酸化改質反応にはムラがあり、改質器内の部分酸化改質反応が発生した部分では、部分酸化改質反応の発熱により温度が上昇する。改質器内の一部の温度が上昇すると、その部分で更に部分酸化改質反応が促進され、温度の高い部分が更に加熱されることになる。このように、ＰＯＸ工程においては、改質器内で一旦温度ムラが発生すると、部分酸化改質反応の発熱により温度の高い部分が更に加熱されるため、温度ムラが更に助長される傾向がある。このような状態が長く継続すると、改質器の温度が局所的に過剰に上昇し、改質用の触媒が劣化されることにより改質器の耐用年数が短くなり、或いは改質器が損傷されてしまう場合があるという問題がある。

従って、本発明は、改質器の温度ムラを抑制することにより、改質器の耐用年数を延長し、又は改質器の損傷を防止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。

上述した課題を解決するために、本発明は、燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させることにより電力を生成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内に配置され、燃料と酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料を部分酸化改質する改質反応を行うＰＯＸ工程、及び、部分酸化改質及び燃料と水蒸気を化学反応させる水蒸気改質を同時に発生させることにより燃料をオートサーマル改質する改質反応を行うＡＴＲ工程、及び、水蒸気改質のみを発生させる改質反応を行うＳＲ工程によって水素を生成する改質器と、燃料電池モジュール内に配置され、改質器及び燃料電池セルスタックを通過した燃料を、燃料電池セルスタックを構成する各燃料電池セルユニットの上端で燃焼させ、燃料電池セルスタックの上方に配置された改質器を加熱する燃焼室と、改質器に燃料を供給することにより、改質器で改質された燃料を燃料電池セルスタックに送り込む燃料供給手段と、改質器に改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段と、改質器に改質用の水を供給する水供給手段と、燃料電池セルスタックに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料電池モジュール内の温度に基づいて、燃料供給手段、改質用酸化剤ガス供給手段、水供給手段、及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御し、燃料電池モジュール内の温度上昇に伴い、予め決定された温度帯域において、改質器内でＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程を順次実行し、燃料電池セルスタックを発電可能な温度まで昇温させる制御手段と、を有し、改質器は、水供給手段から供給された水を蒸発させると共に、改質用酸化剤ガス供給手段から改質用酸化剤ガスが供給される蒸発部と、この蒸発部の下流側に隣接して設けられ、触媒により燃料を改質する改質部と、を備え、燃料供給手段及び改質用酸化剤ガス供給手段から供給された燃料及び改質用酸化剤ガスは、蒸発部を通って改質部の上流側に流入し、制御手段は、ＰＯＸ工程中において改質部内に水蒸気が供給されるように水供給手段を制御する局所温度上昇抑制手段を備え、この局所温度上昇抑制手段は、改質器内で局所的に過剰な温度上昇が発生すると、その部分に水蒸気改質を誘発することにより、改質器の局所的な温度上昇を抑制することを特徴としている。

このように構成された本発明においては、制御手段が、燃料供給手段、改質用酸化剤ガス供給手段、水供給手段を夫々制御して、燃料、改質用酸化剤ガス、水を改質器に供給する。制御手段は、起動工程中に改質器内において、部分酸化改質、オートサーマル改質、水蒸気改質の各改質反応を順次発生させ、ＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程を順次実行し、燃料電池セルスタックを発電可能な温度まで昇温させる。制御手段に備えられた局所温度上昇抑制手段は、ＰＯＸ工程中において、局所的に過剰な温度上昇が発生すると、その部分で水蒸気改質を局所的に誘発することにより、水蒸気改質による吸熱反応で改質器の局所的な温度上昇を抑制することによって、改質器内の温度ムラを抑制し、改質器全体を安定的に、かつ均一に温度上昇させることができる。また、改質器の耐用年数を延長し、又は改質器の損傷を防止することができる。

このように構成された本発明によれば、局所温度上昇抑制手段が、ＰＯＸ工程中において、改質器内で局所的に過剰な温度上昇が発生すると、その部分で局所的な水蒸気改質を誘発し、水蒸気改質による吸熱反応で局所的な温度上昇を抑制する。これにより、改質器の温度ムラが抑制され、改質器全体を安定的に、かつ均一に温度上昇させることができる。また、改質器の耐用年数を延長し、又は改質器の損傷を防止することができる。

このように構成された本発明においては、燃料供給手段及び改質用酸化剤ガス供給手段から供給された燃料及び改質用酸化剤ガスは、蒸発部を通って改質部の上流側に流入するので、蒸発部から改質部への流入口付近において局所的な過度の部分酸化改質により急激な温度上昇が発生しやすくなる。

このように構成された本発明によれば、改質部上流側の流入口付近において局所的な温度上昇が発生した場合、その部分に蒸発部から速やかに水蒸気を供給することができる。また、流入口付近において局所的な温度上昇が発生した場合には、改質部に隣接して設けられた蒸発部の温度も上昇するので、供給された水の蒸発が促進され、局所的な温度上昇に対してより多くの水蒸気を供給することができる。

本発明において、好ましくは、制御手段は、ＰＯＸ工程中においては、改質器内において部分酸化改質反応のみによる燃料の改質が可能となるように、改質用の酸化剤ガス中の酸素Ｏ₂と燃料中の炭素Ｃの比Ｏ₂／Ｃが０．４以上であり、ＡＴＲ工程中においては、比Ｏ₂／Ｃが０．２以上、０．４未満であるように、燃料供給手段、及び改質用酸化剤ガス供給手段を制御し、局所温度上昇抑制手段は、比Ｏ₂／Ｃが０．４以上の状態において、水供給手段により蒸発部に水を供給する。

このように構成された本発明においては、酸素Ｏ₂と炭素Ｃの比Ｏ₂／Ｃが、部分酸化改質反応のみによる燃料の改質が可能な割合にある状態において、局所温度上昇抑制手段は蒸発部に水を供給する。このため、改質器内において局所的に過剰な温度上昇が発生しやすい状態において、過剰な温度上昇が発生した場合には確実に水蒸気改質を発生させることができ、改質器内の触媒への悪影響を抑制することができる。

本発明において、好ましくは、局所温度上昇抑制手段は、ＰＯＸ工程の全期間において、水供給手段により蒸発部に水を供給する。
このように構成された本発明によれば、温度上昇が発生しやすいＰＯＸ工程の全期間において水が供給されているので、過剰な温度上昇による改質器の劣化を確実に防止することができる。

本発明において、好ましくは、局所温度上昇抑制手段は、燃料電池モジュール内の温度がＰＯＸ工程が実行される温度帯域まで上昇する前に、改質器への水の供給を開始させる。
このように構成された本発明によれば、ＰＯＸ工程が実行される温度帯域まで温度上昇する前に改質器への水の供給が開始されるので、局所的な過度の部分酸化改質による改質器の過昇温を確実に抑制することができる。

本発明において、好ましくは、局所温度上昇抑制手段は、燃焼室内に導入された燃料に着火された後、改質器への水の供給を開始させる。
このように構成された本発明によれば、燃料に着火された後で改質器への水の供給が開始されるので、改質器に導入された水が長時間蒸発されずに滞留することによる改質器への悪影響を防止することができると共に、改質器全体の温度が比較的低い状態における局所的な過度の部分酸化改質をも確実に抑制することができる。

本発明において、好ましくは、局所温度上昇抑制手段は、水供給手段を制御して、改質器へ連続的に、又は断続的に水を供給させ、局所温度上昇抑制手段によって単位時間当たりに供給される水の量は、ＡＴＲ工程において単位時間当たりに供給される水の量よりも少ない。

このように構成された本発明によれば、連続的に又は断続的に改質器へ水が供給されるので、一時に大量に水が供給され、短期間に大量の水蒸気改質が発生することによる改質器の急激な温度低下を防止することができる。また、局所温度上昇抑制手段によって供給される水の量がＡＴＲ工程における水の量よりも少なくされているので、ＰＯＸ工程中において、局所的な過度の温度上昇を抑制するために多くの水蒸気改質が発生し、改質器の全体的な昇温が遅れるのを防止することができる。

本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、改質器の温度ムラを抑制することにより、改質器の耐用年数を延長し、又は改質器の損傷を防止することができる。

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。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２のIII-III線に沿った断面図である。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。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。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。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。本発明の一実施形態による燃料電池装置の停止時の動作を示すタイムチャートである。本発明の一実施形態による燃料電池装置の改質器の斜視図である。本発明の一実施形態による燃料電池装置において、天板を取り除いて改質器の内部を示した斜視図である。本発明の一実施形態による燃料電池装置において、改質器内部の燃料の流れを示す平面断面図である。本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動処理手順の動作テーブルである。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。

空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。

次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス室通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１）

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。

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。

Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂＋ｙＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （２）
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （３）

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。

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。

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。

次に、図８により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を説明する。図８は、本実施形態により固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図８に示すように、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させる。

また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、改質器２０の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。

このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の運転停止を行うとき、改質器２０による水蒸気改質反応ＳＲと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。

次に、図９乃至図１１を参照して、改質器２０の詳細な構成を説明する。
図９は改質器２０の斜視図であり、図１０は、天板を取り除いて改質器２０の内部を示した斜視図である。図１１は、改質器２０内部の燃料の流れを示す平面断面図である。

図９に示すように、改質器２０は、直方体状の金属製の箱であり、内部には燃料を改質するための改質触媒が充填されている。また、改質器２０の上流側には水を導入するための純水導入管６０、及び燃料及び改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が接続されている。さらに、改質器２０の下流側には、内部で改質された燃料を流出させる燃料ガス供給管６４が接続されている。また、改質器２０には、長手方向に沿って８つの通気口２０ｃが設けられている。これらの通気口２０ｃは、改質器２０の下方の燃焼室１８（図２）において燃焼された燃焼ガスが円滑に改質器２０の上方に抜けるように、改質器２０の底面から上面に貫通するように設けられており、各通気口２０ｃは、改質器２０の内部には連通されていない。

図１０に示すように、改質器２０の内部には、その上流側に蒸発部２０ａが設けられ、この蒸発部２０ａに隣接して、下流側には改質部２０ｂが設けられている。蒸発部２０ａの内部には、複数の仕切り板が配置されることにより、曲がりくねった通路が形成されている。改質器２０に導入された水は、温度が上昇した状態では蒸発部２０ａ内で蒸発され、水蒸気となる。また、改質器２０に導入された燃料ガス、改質用空気は、蒸発部２０ａの曲がりくねった通路を通りながら水蒸気と混合される。

一方、改質部２０ｂの内部にも、複数の仕切り板が配置されることにより曲がりくねった通路が形成され、この通路に触媒が充填されている。蒸発部２０ａにおいて混合された燃料ガス及び改質用空気は、改質部２０ｂの通路を通りながら、部分酸化改質反応される。また、蒸発部２０ａから燃料ガス、水蒸気及び改質用空気の混合物が導入されると、改質部２０ｂでは、部分酸化改質反応及び水蒸気改質反応が発生する。さらに、蒸発部２０ａから燃料ガス、及び水蒸気の混合物が導入されると、改質部２０ｂでは、水蒸気改質反応のみが発生する。

図１１に示すように、改質器２０の蒸発部２０ａに導入された燃料ガス、水及び改質用空気は、最初に改質器２０の横断方向に蛇行して流れ、次に２つの通路に分岐されて、改質器２０の長手方向に蛇行される。さらに、通路は再び合流され、改質器２０の中央部分で改質部２０ｂに接続される。改質部２０ｂに導入された燃料等は、改質部２０ｂの中央を長手方向に流れた後、２つに分岐して折返し、２つの通路は再び折り返して改質部２０ｂの下流端に向かい、そこで合流されて燃料ガス供給管６４に流入する。燃料は、このように蛇行した通路を通過しながら、通路に充填された触媒により改質される。

次に、図７及び図１２を参照して、本実施形態の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時において、改質器内で発生する改質反応の詳細を説明する。
図１２は、燃料電池１の起動処理手順を示す動作テーブルである。図１２に示すように、起動工程では、制御手段である制御部１１０が各運転制御状態（燃焼運転工程、ＰＯＸ１工程、ＰＯＸ２工程、ＡＴＲ１工程、ＡＴＲ２工程、ＳＲ１工程、ＳＲ２工程）を時間的に順に実行し、発電工程へ移行するように構成されている。

なお、ＰＯＸ１工程及びＰＯＸ２工程は、改質器２０内で部分酸化改質反応が行われる工程（ＰＯＸ工程）である。また、ＡＴＲ１工程及びＡＴＲ２工程は、改質器２０内でオートサーマル改質反応が行われる工程（ＡＴＲ工程）である。また、ＳＲ１工程及びＳＲ２工程は、改質器２０内で水蒸気改質反応が行われる工程（ＳＲ工程）である。上記各ＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程は、それぞれ２つに細分化されているが、これに限らず、３つ以上に細分化してもよいし、細分化しない構成とすることもできる。このように、制御部１１０は、燃料電池モジュール２内の温度上昇に伴い、予め決定された温度帯域において、改質器２０内でＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程を順次実行し、燃料電池セルスタック１４を発電可能な温度まで昇温させる。

まず、図７の時刻ｔ₀において燃料電池１を起動すると、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及び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、これらを起動させ、改質用空気（酸化剤ガス）及び発電用空気を燃料電池モジュール２に供給する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ₀において供給が開始される改質用空気の供給量は１８．０（L/min）、発電用空気の供給量は１００．０（L/min）に設定される（図１２の「燃焼運転」工程参照）。

次いで、時刻ｔ₁において、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、改質器２０への燃料供給を開始する。これにより、燃料及び改質用空気は、被改質ガス導入管６２を通って改質器２０に導入され、改質器２０へ送り込まれた燃料及び改質用空気は、改質器２０、燃料ガス供給管６４、マニホールド６６を介して各燃料電池セルユニット１６内に、即ち、燃料電池セルスタック１４に送り込まれる。各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれた燃料及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット１６の燃料ガス流路９８上端から流出する。なお、本実施形態において、時刻ｔ₁において供給が開始される燃料の供給量は６．０（L/min）に設定されている（図１２の「燃焼運転」工程参照）。

さらに、時刻ｔ₂において、制御部１１０は、点火装置８３に信号を送り、燃料電池セルユニット１６から流出する燃料に点火する。これにより、燃焼室１８内で燃料が燃焼され、この熱により、その上方に配置された改質器２０が加熱されると共に、燃焼室１８、発電室１０、及びその中に配置された各燃料電池セルユニット１６の温度、即ち、燃料電池セルスタック１４の温度も上昇を開始する（図７の時刻ｔ₂〜ｔ₃参照）。燃料ガス流路９８を含む燃料電池セルユニット１６及びその上端部位は燃焼部に相当する。

次に、制御部１１０に内蔵された局所温度上昇抑制手段１１０ａ（図６）は、時刻ｔ₂における点火の後、所定時間が経過すると、時刻ｔ₃において水流量調整ユニット２８に信号を送り、改質器２０への水の供給を開始する。なお、本実施形態において、時刻ｔ₃において供給が開始される水の供給量は１．０（cc/min）に設定されている（図１２の「燃焼運転」工程参照）。なお、本実施形態においては、水流量調整ユニット２８は、純水を１滴ずつ断続的に供給するように構成されており、１分当たりの供給量が１．０ccとなる。変形例として、改質器２０へ連続的に水を供給するように水流量調整ユニット２８を構成することもできる。

水流量調整ユニット２８を介して改質器２０の蒸発部２０ａに導入された水は、蒸発部２０ａの温度上昇と共に少しずつ蒸発される。蒸発部２０ａへの水の導入が開始されたことにより、蒸発部２０ａには、燃料、改質用空気、水が供給され、これらの混合物が改質器２０の改質部２０ｂに流入することになる。しかしながら、時刻ｔ₃においては、まだ十分に改質部２０ｂの温度が上昇していないため、改質部２０ｂにおいては、部分酸化改質反応も、水蒸気改質反応も発生しない。このように、局所温度上昇抑制手段１１０ａは、燃料電池モジュール２内の温度が、ＡＴＲ工程が実行される温度帯域よりも前であって、ＰＯＸ工程が開始される３００℃まで上昇する前に、改質器２０への水の供給を開始する。

次いで、改質器２０が加熱されることにより、改質器２０の温度（以下「改質器温度」という）が３００℃程度まで上昇すると、改質器２０の改質部２０ｂ内においては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が発生する（図７の時刻ｔ₄：ＰＯＸ１工程開始）。このＰＯＸ１工程においても、燃料供給量は６．０（L/min）、改質用空気供給量は１８．０（L/min）、水供給量は１．０（cc/min）に維持される（図１２の「ＰＯＸ１」工程参照）。部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質器２０は、部分酸化改質反応の発生により、その反応熱によっても加熱されるようになる（図７の時刻ｔ₄〜ｔ₆）。

なお、改質器２０には、燃料及び改質用空気の他に、水も導入されているが、時刻ｔ₄〜ｔ₆においては改質部２０ｂの温度が低いために、改質部２０ｂ内において、全体的、且つ連続的に水蒸気改質反応が発生することはない。しかしながら、改質部２０ｂ内で部分酸化改質反応が発生するようになると、この反応は発熱反応であるため、部分酸化改質反応が多く発生した部分では、局所的に改質部２０ｂの温度が大きく上昇する。この温度上昇により、温度が上昇した部分ではより多くの部分酸化改質反応が発生し、その部分の温度は更に上昇する。このような現象が発生することにより、改質部２０ｂ内では、局所的に水蒸気改質反応が発生する温度である５００〜６００℃まで温度が上昇する部分が発生する。

このような温度上昇は改質部２０ｂ内で局所的に発生するため、改質器温度センサ１４８（図６）の検出温度に反映されることはない。このため、改質器温度センサ１４８によって検出される温度は、図７の時刻ｔ₄〜ｔ₆に示すように、比較的低温で推移している。改質部２０ｂ内で局所的な温度上昇が発生すると、改質部２０ｂには、燃料及び改質用空気の他に、水蒸気も導入されているため、水蒸気改質反応が可能な温度まで温度上昇した部分では局所的に水蒸気改質反応が発生する。ここで、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、水蒸気改質反応が発生すると、その部分の温度は低下する。水蒸気改質反応が発生し、改質部２０ｂの温度が水蒸気改質反応が発生しない温度まで低下すると、発生していた水蒸気改質反応は終息する。このように、改質部２０ｂ内の局所的に温度上昇した部分は、水蒸気改質反応が一時的に発生することにより局所的に冷却され、改質部２０ｂ内の温度が均一化される。また、仮に、改質部２０ｂ内の比較的広範囲で過剰な温度上昇が起こっていたとしても、水は少しずつ（１．０cc/min）供給されているため、急激に多量の水蒸気改質反応が発生し、改質部２０ｂの温度が急激に低下されることもない。

なお、上述したように、ＰＯＸ１工程における燃料供給量は６．０（L/min）、改質用空気供給量は１８．０（L/min）であり、改質用空気中の酸素Ｏ₂と燃料中の炭素Ｃの比Ｏ₂／Ｃは約０．５４となる（図１２の「Ｏ₂／Ｃ」欄参照）。ここで、比Ｏ₂／Ｃ＝１とは、燃料中の炭素原子Ｃの数が改質用空気中の酸素分子Ｏ₂の数と等しい状態に対応する。従って、理論的には、比Ｏ₂／Ｃ＝０．５の状態においては、燃料中の全ての炭素原子Ｃが改質用空気中の全ての酸素分子Ｏ₂と反応することにより、燃料中の全ての炭素が一酸化炭素となり、比Ｏ₂／Ｃが０．５を下回ると余剰の炭素が生じ、炭素析出等のトラブルが発生することになる。しかしながら、実際には、改質用空気に含まれる微量の水分等と燃料中の炭素が反応するため、炭素析出を起こすことなく、比Ｏ₂／Ｃの値を約０．４程度まで低下できる場合がある。本実施形態のＰＯＸ１工程における比Ｏ₂／Ｃ＝０．５４という値は、改質部２０ｂ内に水蒸気改質用の水蒸気が供給されていない状態においても、確実に炭素析出を回避して、燃料を部分酸化改質することができる酸素Ｏ₂と炭素Ｃの割合である。

さらに温度が上昇し、改質器温度が３５０℃に達すると（ＰＯＸ２移行条件）、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料供給量を減少させると共に、改質用空気流量調整ユニット３８に信号を送り、改質用空気供給量を減少させる（図７の時刻ｔ₅：ＰＯＸ２工程開始）。これにより、燃料供給量は５．０（L/min）に変更され、改質用空気供給量は１５．０（L/min）に変更される（図１２の「ＰＯＸ２」工程参照）。これらの供給量の変更後も、酸素Ｏ₂と炭素Ｃの比Ｏ₂／Ｃ＝０．５４が維持され、この供給量は部分酸化改質反応を発生させるために適切な供給量である。即ち、部分酸化改質反応が発生し始める初期の温度領域においては、供給する燃料の割合を多くすることにより、燃料に確実に着火させる状態を形成すると共に、その供給量を維持して着火を安定させる（図１２の「ＰＯＸ１」工程参照）。さらに、安定して着火され、温度が上昇した後には、部分酸化改質反応を生成するために必要にして十分な燃料供給量として、燃料の浪費を抑えている（図１２の「ＰＯＸ２」工程参照）。また、このＰＯＸ２工程においても、部分酸化改質反応による改質部２０ｂ内の局所的な温度上昇が発生し、これに伴い発生する水蒸気改質反応による局所的な冷却が起こっている。しかしながら、水蒸気改質反応による冷却により、その部分の温度は速やかに低下するため、水蒸気改質反応はすぐに終息し、連続的に発生することはない。

次に、図７の時刻ｔ₆において、改質器温度が６００℃以上、且つ、セルスタック温度が２５０℃以上になると（ＡＴＲ１移行条件）、制御部１１０は、水供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量を増加させる（ＡＴＲ１工程開始）。これにより、水供給量は２．０（cc/min）に変更される。このように、局所温度上昇抑制手段により予め供給されていた単位時間当たりの水の量は、ＡＴＲ１工程において供給される単位時間当たりの水の量よりも少なく設定されている。次に、制御部１１０は、水供給量の増加から所定時間遅れて改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させる。これにより、改質用空気供給量は７．０（L/min）に変更される（図１２の「ＡＴＲ１」工程参照）。改質器温度センサ１４８により検出された改質器温度が６００℃以上、即ち、改質器２０の温度が全体的に６００℃程度まで上昇すると、改質部２０ｂ内では、全体的に、且つ連続的に水蒸気改質反応が発生するようになる。

なお、ＡＴＲ１工程における改質用空気中の酸素Ｏ₂と燃料中の炭素Ｃの比Ｏ₂／Ｃは約０．２５となる（図１２の「Ｏ₂／Ｃ」欄参照）。この比Ｏ₂／Ｃ＝０．２５の状態においては、部分酸化改質用に使用される酸素が不足するので、水蒸気改質が発生していなければ改質部２０ｂ内で炭素析出が発生してしまう。従って、ＡＴＲ１工程においては、水蒸気改質用の水蒸気を十分に供給することにより、部分酸化改質と水蒸気改質を併用して燃料の改質を行っている。

このように改質部２０ｂ内の温度が上昇し、また、改質器２０の周囲の温度も上昇していると、改質部２０ｂ内の水蒸気改質反応により吸熱が発生しても改質部２０ｂ内の温度は容易に低下せず、水蒸気改質反応は連続的に発生する。即ち、図１２の「ＡＴＲ１」工程においては、改質部２０ｂ内全体で部分酸化改質反応及び水蒸気改質反応が連続的に混在して発生するオートサーマル改質（ＡＴＲ）が行われるようになる。なお、ＡＴＲ１工程開始時において、水供給量を増加させた後、所定時間遅れて改質用空気供給量を減少させている。これにより、水供給量の増加によって水蒸気改質反応による吸熱が増加した後、所定時間遅れて部分酸化改質反応による発熱が減少され、吸熱の増加と発熱の減少が同時に起こることによる急激な温度低下が回避される。

また、ＡＴＲ１工程において、改質部２０ｂ内全体で、部分酸化改質反応及び水蒸気改質反応が連続的に発生するようになると、部分酸化改質反応による発熱と、水蒸気改質反応による吸熱が均衡に近づき、改質器温度センサ１４８により検出される温度上昇が、ＰＯＸ２工程に比べ極めて緩やかになる。このように、ＰＯＸ１、ＰＯＸ２工程においても局所的に部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在する状態にあるものの、ＰＯＸ工程における水蒸気改質反応は局所的なものであり、全体的に部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在するＡＴＲ工程とは、質的に全く異なるものである。

さらに、図７の時刻ｔ₇において、改質器温度が６００℃以上、且つ、スタック温度が４００℃以上になると（ＡＴＲ２移行条件）、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料供給量を減少させる。また、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量を増加させる（ＡＴＲ２工程開始）。これにより、燃料供給量は４．０（L/min）に変更され、改質用空気供給量は５．０（L/min）に変更され、水供給量は３．０（cc/min）に変更される（図１２の「ＡＴＲ２」工程参照）。これにより、ＡＴＲ２工程における改質用空気中の酸素Ｏ₂と燃料中の炭素Ｃの比Ｏ₂／Ｃは約０．２３となる（図１２の「Ｏ₂／Ｃ」欄参照）。改質用空気供給量が減少され、水供給量が増加されることにより、改質器２０内においては、発熱反応である部分酸化改質反応の割合が減少し、吸熱反応である水蒸気改質反応の割合が増加する。これにより、改質器温度の上昇は抑制され、一方、改質器２０から受けるガス流により燃料電池セルスタック１４が昇温されることによって、セルスタック温度は改質器温度に追い付くように昇温していくので、両者の温度差が縮小され、両者は安定的に昇温されていく。

次に、図７の時刻ｔ₈において、改質器温度とセルスタック温度の温度差が縮まり、改質器温度が６５０℃以上、且つ、スタック温度が６００℃以上になると（ＳＲ１移行条件）、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気の供給を停止する。また、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量を増加させる（ＳＲ１工程開始）。これにより、燃料供給量は３．０（L/min）に変更され、水供給量は８．０（cc/min）に変更される（図１２の「ＳＲ１」工程参照）。改質用空気の供給が停止されることにより、改質器２０内においては部分酸化改質反応は発生しなくなり、水蒸気改質反応のみが発生するＳＲが開始される。

さらに、図７の時刻ｔ₉において、改質器温度とセルスタック温度の温度差がさらに縮まり、改質器温度がＳＲ２移行改質器温度である６５０℃以上、且つ、セルスタック温度がＳＲ２移行セル温度である６５０℃以上になると（ＳＲ２移行条件）、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量も減少させる。また、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送り、発電用空気の供給量も減少させる（ＳＲ２工程開始）。これにより、燃料供給量は２．３（L/min）に変更され、水供給量は６．３（cc/min）に変更され、発電用空気供給量は８０．０（L/min）に変更される（図１２の「ＳＲ２」工程参照）。

制御部１１０は、ＳＲ２工程において、各供給量を所定の発電移行時間以上維持し、且つ改質器温度が６５０℃以上、且つ、スタック温度が７００℃以上になると（発電工程移行条件）、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力を出力させ、発電工程に移行して発電を開始する（図７の時刻ｔ₁₀：発電工程開始）。その後、制御部１１０は、需要電力に応じた電力を生成できるように、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８に信号を送って燃料供給量及び水の供給量を変更し、負荷追従運転が実行される。

本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、局所温度上昇抑制手段１１０ａが、ＰＯＸ工程中において、改質器２０内で局所的に過剰な温度上昇が発生すると、その部分で局所的な水蒸気改質を誘発し、水蒸気改質による吸熱で局所的な温度上昇を抑制する。これにより、改質器２０の温度ムラが抑制され、改質器２０の耐用年数を延長し、又は改質器２０の損傷を防止することができる。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、燃料電池モジュール２内の改質器２０の温度がＡＴＲ工程が実行される６００℃まで上昇する前に水の供給が開始される（図７の時刻ｔ₃）。このため、ＡＴＲ工程において改質器２０内で全体的且つ連続的に水蒸気改質が発生し始める前に改質器２０に水が供給され、局所的な温度上昇が発生すれば、そこで局所的な水蒸気改質が発生し、その部分の温度を低下させることができる。これにより、ＡＴＲ工程が実行される温度帯域（図９、改質器温度６００℃以上）まで温度上昇する前に水の供給を開始するという簡単な制御で、効果的に改質器２０の温度ムラを抑制することができる。

さらに、本実施形態においては、局所温度上昇抑制手段１１０ａによる改質器２０への水の供給が開始される時期は、ＰＯＸ工程が実行される温度帯域（図９、改質器温度３００℃以上）まで温度上昇する前であり、これにより、局所的な過度の部分酸化改質による改質器２０の過昇温をより確実に抑制することができる。加えて、本実施形態においては、燃料に着火（図７の時刻ｔ₂）された後で改質器２０への水の供給が開始される（図７の時刻ｔ₃）ので、改質器２０に導入された水が長時間蒸発されずに滞留することによる改質器２０への悪影響を防止することができると共に、改質器２０全体の温度が比較的低い状態における局所的な過度の部分酸化改質をも確実に抑制することができる。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、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から供給された燃料及び改質用空気は、蒸発部２０ａを介して隣接した改質部２０ｂに改質部流入口を通って流入するので、蒸発部２０ａから改質部２０ｂへの流入口付近において局所的な過度の部分酸化改質により急激な温度上昇が発生しやすい傾向がある。本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、改質部流入口付近において局所的な温度上昇が発生した場合、その部分に蒸発部２０ａから速やかに水蒸気を供給することができる。また、改質部上流側の流入口付近において局所的な温度上昇が発生した場合には、改質部２０ｂに隣接して設けられた蒸発部２０ａの温度も上昇するので、供給された水の蒸発が促進され、局所的な温度上昇に対してより多くの水蒸気を供給することができる。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、水流量調整ユニット２８によって、断続的に改質器２０へ水が供給されるので、一時に大量に水が供給され、短期間に大量の水蒸気改質が発生することによる改質器２０の急激な温度低下を防止することができる。また、局所温度上昇抑制手段１１０ａによって供給される水の量（図９、１．０cc/min）が、ＡＴＲ１工程及びＡＴＲ２工程における水の量（図９、夫々２．０cc/min、３．０cc/min）よりも少なくされているので、ＰＯＸ工程中において、局所的な過度の温度上昇を抑制するために多くの水蒸気改質が発生し、改質器の全体的な昇温が遅れるのを防止することができる。

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、ＰＯＸ工程中においても局所的な水蒸気改質が発生しており、このようなＰＯＸ工程からＡＴＲ工程に移行する際（図７の時刻ｔ₆）、水供給量を増加させて水蒸気改質を増加させると同時に、改質用空気供給量を減少させて部分酸化改質を減少させると、改質器２０の温度が急激に低下する虞がある。本実施形態によれば、改質用空気供給量が遅れて減少されるので、水蒸気改質が増加された後も部分酸化改質が残存し、改質器２０に急激な温度低下が起こるのを防止することができる。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１においては、制御部１１０は、ＰＯＸ工程中においては、改質器２０内において部分酸化改質反応のみによる燃料の改質が可能となるように、改質用の酸化剤ガス中の酸素Ｏ₂と燃料中の炭素Ｃの比Ｏ₂／Ｃを０．４以上の０．５４に設定している。また、ＡＴＲ工程中においては、比Ｏ₂／Ｃを０．２以上、０．４未満の０．２５（ＡＴＲ１工程）又は０．２３（ＡＴＲ２工程）に設定している。局所温度上昇抑制手段１１０ａは、比Ｏ₂／Ｃが０．４以上の状態において、蒸発部２０ａに水を供給する。このように、本実施形態においては、酸素Ｏ₂と炭素Ｃの比Ｏ₂／Ｃが、部分酸化改質反応のみによる燃料の改質が可能な割合にある状態において、局所温度上昇抑制手段１１０ａは蒸発部２０ａに水を供給する。このため、改質器２０内において局所的に過剰な温度上昇が発生しやすい状態において、過剰な温度上昇が発生した場合には確実に水蒸気改質を発生させることができ、改質器２０内の触媒への悪影響を抑制することができる。

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池１によれば、温度上昇が発生しやすいＰＯＸ１工程、ＰＯＸ２工程の全期間（図７の時刻ｔ₄〜ｔ₆）において水が供給されているので、過剰な温度上昇による改質器２０の劣化を確実に防止することができる。

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、燃焼室における着火後、所定時間経過したとき局所温度上昇抑制手段１１０ａによる水の供給が開始されているが、水の供給は、着火の前後、或いは、ＰＯＸ工程中に開始されても良い。

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
２０ｂ改質部
２２空気用熱交換器
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
５２制御ボックス
５４インバータ
８３点火装置
８４燃料電池セル
１１０制御部（制御手段）
１１０ａ局所温度上昇抑制手段
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

Claims

燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させることにより電力を生成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内に配置され、上記燃料と酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料を部分酸化改質する改質反応を行うＰＯＸ工程、及び、上記部分酸化改質及び燃料と水蒸気を化学反応させる水蒸気改質を同時に発生させることにより燃料をオートサーマル改質する改質反応を行うＡＴＲ工程、及び、上記水蒸気改質のみを発生させる改質反応を行うＳＲ工程によって水素を生成する改質器と、
上記燃料電池モジュール内に配置され、上記改質器及び上記燃料電池セルスタックを通過した燃料を、上記燃料電池セルスタックを構成する各燃料電池セルユニットの上端で燃焼させ、上記燃料電池セルスタックの上方に配置された上記改質器を加熱する燃焼室と、
上記改質器に燃料を供給することにより、上記改質器で改質された燃料を上記燃料電池セルスタックに送り込む燃料供給手段と、
上記改質器に改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段と、
上記改質器に改質用の水を供給する水供給手段と、
上記燃料電池セルスタックに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料電池モジュール内の温度に基づいて、上記燃料供給手段、上記改質用酸化剤ガス供給手段、上記水供給手段、及び上記発電用酸化剤ガス供給手段を制御し、上記燃料電池モジュール内の温度上昇に伴い、予め決定された温度帯域において、上記改質器内で上記ＰＯＸ工程、上記ＡＴＲ工程、上記ＳＲ工程を順次実行し、上記燃料電池セルスタックを発電可能な温度まで昇温させる制御手段と、を有し、
上記改質器は、上記水供給手段から供給された水を蒸発させると共に、上記改質用酸化剤ガス供給手段から改質用酸化剤ガスが供給される蒸発部と、この蒸発部の下流側に隣接して設けられ、触媒により燃料を改質する改質部と、を備え、上記燃料供給手段及び上記改質用酸化剤ガス供給手段から供給された燃料及び改質用酸化剤ガスは、上記蒸発部を通って上記改質部の上流側に流入し、
上記制御手段は、上記ＰＯＸ工程中において上記改質部内に水蒸気が供給されるように上記水供給手段を制御する局所温度上昇抑制手段を備え、この局所温度上昇抑制手段は、上記改質器内で局所的に過剰な温度上昇が発生すると、その部分に水蒸気改質を誘発することにより、上記改質器の局所的な温度上昇を抑制することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
上記制御手段は、上記ＰＯＸ工程中においては、上記改質器内において部分酸化改質反応のみによる燃料の改質が可能となるように、改質用の酸化剤ガス中の酸素Ｏ₂と燃料中の炭素Ｃの比Ｏ₂／Ｃが０．４以上であり、上記ＡＴＲ工程中においては、上記比Ｏ₂／Ｃが０．２以上、０．４未満であるように、上記燃料供給手段、及び上記改質用酸化剤ガス供給手段を制御し、上記局所温度上昇抑制手段は、上記比Ｏ₂／Ｃが０．４以上の状態において、上記水供給手段により上記蒸発部に水を供給する請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
上記局所温度上昇抑制手段は、上記ＰＯＸ工程の全期間において、上記水供給手段により上記蒸発部に水を供給する請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
上記局所温度上昇抑制手段は、上記燃料電池モジュール内の温度が上記ＰＯＸ工程が実行される温度帯域まで上昇する前に、上記改質器への水の供給を開始させる請求項３記載の固体酸化物型燃料電池。
上記局所温度上昇抑制手段は、上記燃焼室内に導入された燃料に着火された後、上記改質器への水の供給を開始させる請求項４記載の固体酸化物型燃料電池。
上記局所温度上昇抑制手段は、上記水供給手段を制御して、上記改質器へ連続的に、又は断続的に水を供給させ、上記局所温度上昇抑制手段によって単位時間当たりに供給される水の量は、上記ＡＴＲ工程において単位時間当たりに供給される水の量よりも少ない請求項３記載の固体酸化物型燃料電池。