JP2016029632A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電量が小さいときにおいても、燃料電池セルスタックの温度が低下してしまったり、燃料電池セルスタックの温度上昇に時間がかかり過ぎてしまったりすることのない燃料電池装置を提供すること。【解決手段】この燃料電池装置ＦＣでは、空気を、セルスタックＣＳとの熱交換により温度を上昇させた後にセルスタックＣＳに供給する第１空気加熱流路４０と、空気を、セルスタックＣＳから熱を奪うことなくセルスタックＣＳに供給する第２空気加熱流路５０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池装置に関する。

燃料電池装置は、燃料ガス及び酸化剤ガスが持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。その発電効率は非常に高く、また排出されるガスも比較的クリーンであることから、次世代の発電装置として注目されている。

燃料電池装置の動作中においては、燃料電池セルスタックの温度は発電に適した温度に維持される。例えば、固体酸化物型の燃料電池装置の場合、燃料電池セルスタックは約７００度の高温に維持される。

また、燃料電池セルスタックでは、発電に伴って熱が生じる。このため、発電量が大きいときには燃料電池セルスタックの温度が上昇し過ぎてしまい、発電に適した温度を超えてしまうことが考えられる。そこで、燃料電池セルスタックの温度が上昇し過ぎることを防止するために、燃料電池装置には燃料電池セルスタックを冷却するための冷却手段が備えられている。

例えば、下記特許文献１に記載の燃料電池装置では、燃料電池セルスタックの近傍に酸化剤ガスが通る流路が配置されており、当該流路を通る酸化剤ガスと燃料電池セルスタックとの間で熱交換が行われる構成となっている。つまり、燃料電池セルスタックに酸化剤ガスを供給するための流路の一部が、燃料電池セルスタックを冷却するための冷却手段として機能する構成となっている。

燃料電池セルスタックは、上記の流路に向かう輻射伝熱により熱を奪われることに加えて、流路を通った後の酸化剤ガスに直接触れることによっても熱を奪われる。このように奪われる熱と、発電に伴って生じる熱とのバランスが保たれることにより、燃料電池セルスタックの温度は適切な温度（約７００度）に保たれる。

特開２００９−１５８１２２号公報

上記特許文献１に記載されているような従来の燃料電池装置は、燃料電池装置の起動が完了して発電が定常的に行われるようになった状態、すなわち、定格の電力が出力されている状態において、燃料電池セルスタックから奪われる熱と発電に伴って生じる熱とのバランスが保たれるように設計される。このため、燃料電池装置の起動時や、所謂ホットスタンバイ時などにおいては、燃料電池セルスタックの発電量が定格発電時よりも小さい（もしくは０である）ために発熱量も小さくなり、上記のバランスが崩れてしまうこととなる。つまり、燃料電池セルスタックで生じる熱よりも、酸化剤ガスにより奪われる熱の方が遥かに多くなってしまうこととなる。その結果、燃料電池セルスタックの温度が低下してしまったり、燃料電池セルスタックの温度上昇に時間がかかり過ぎてしまったりすることがあった。このような現象は、燃料電池装置の効率や発電性能を低下させるものであるから好ましくない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電量が小さいときにおいても、燃料電池セルスタックの温度が低下してしまったり、燃料電池セルスタックの温度上昇に時間がかかり過ぎてしまったりすることのない燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池セルスタック（ＣＳ）と、酸化剤ガスを、燃料電池セルスタックとの熱交換により温度を上昇させた後に燃料電池セルスタックに供給する第１供給手段（４０）と、を備えている。また、酸化剤ガスを、燃料電池セルスタックから熱を奪うことなく燃料電池セルスタックに供給する第２供給手段（５０）を更に備えている。

本発明に係る燃料電池装置では、酸化剤ガスを燃料電池セルスタックに供給する手段として、単一ではなく二つの供給手段（第１供給手段、第２供給手段）を備えている。例えば、燃料電池装置の起動が完了して発電が定常的に行われるようになった状態においては、第１供給手段から全ての酸化剤ガスを燃料電池セルスタックに供給することにより、燃料電池セルスタックを適温に保ちながら燃料電池装置の運転効率を高めることができる。また、発電量が小さいとき（例えば起動時やホットスタンバイ時）においては、第２供給手段から一部又は全ての酸化剤ガスを燃料電池セルスタックに供給することで、燃料電池セルスタックから熱が奪われてしまうことを抑制しながら酸化剤ガスを供給することができる。

このように、発明に係る燃料電池装置では、第１供給手段及び第２供給手段を状況によって使い分けることができる。これにより、発電量が小さいときにおいても、燃料電池セルスタックの温度が低下してしまったり、燃料電池セルスタックの温度上昇に時間がかかり過ぎてしまったりすることが防止される。

本発明によれば、発電量が小さいときにおいても、燃料電池セルスタックの温度が低下してしまったり、燃料電池セルスタックの温度上昇に時間がかかり過ぎてしまったりすることのない燃料電池装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置の内部構造を示す模式図である。 図１に示される燃料電池装置の全体構成を示すブロック図である。 図１に示される燃料電池装置の制御装置によって行われる処理を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置の内部構造を示す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１及び図２に示されるように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置ＦＣは、セルスタックＣＳ（燃料電池スタック）と、ケーシング１０と、燃焼器２０と、改質ユニット３０と、制御装置ＣＵと、を備えている。

セルスタックＣＳは、複数の燃料電池セル（不図示）の集合体である。各燃料電池セルは、固体酸化物形の燃料電池セル（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極（アノード）が形成され、他方側の面に空気極（カソード）が形成された構成となっている。これら燃料極及び空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。

セルスタックＣＳでは、全ての燃料電池セルが上下方向に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。セルスタックＣＳは、スタックアダプタＡＤを介してベースプレートＢＰの上面側に立設されている。

スタックアダプタＡＤは、内部に複数のガス流路（不図示）が形成された板状の部材である。後に説明するように、セルスタックＣＳに対する燃料ガスの供給は、スタックアダプタＡＤを介して行われる。また、セルスタックＣＳからのガスの排出（発電に供しなかった残余の燃料ガス及び空気の排出）も、スタックアダプタＡＤを介して行われる。ベースプレートＢＰは、ケーシング１０の内部に水平に配置された円形の金属板である。ベースプレートＢＰにより、ケーシング１０の内部空間は概ね上下２室に分けられている。

ケーシング１０は、セルスタックＣＳ、燃焼器２０、改質ユニット３０等を内部に収容する略円柱形状の筐体である。ケーシング１０は、その側面及び上面の全体を断熱材（不図示）により覆われている。ケーシング１０は、第１筒状体１１０と、第２筒状体１２０と、第３筒状体１３０と、第４筒状体１４０と、第５筒状体１５０と、第６筒状体１６０とを有している。第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、第４筒状体１４０、第５筒状体１５０、及び第６筒状体１６０は、いずれも金属製で中心軸周りに略円筒状に形成されており、それぞれの中心軸が同軸となるように配置されている。

第１筒状体１１０は、ケーシング１０のうち最も内側に配置された筒状体であって、セルスタックＣＳ及びスタックアダプタＡＤをその内部に収容している。第１筒状体１１０の上端は水平な天板１８１によって塞がれている。また、第１筒状体１１０の下端はベースプレートＢＰの上面に当接した状態で固定されている。第１筒状体１１０の下端から上端までの高さは、スタックアダプタＡＤの下端からセルスタックＣＳの上端までの高さよりも高くなっている。このため、天板１８１とセルスタックＣＳの上端とは離間している。第１筒状体１１０の下部には、貫通孔である吹出口１１１が複数形成されている。これら複数の吹出口１１１は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。吹出口１１１は、セルスタックＣＳに向けて供給される発電用の空気（酸化剤ガス）が通る孔である。

第２筒状体１２０は、第１筒状体１１０を外側から囲むように配置された筒状体である。第２筒状体１２０の内側面と第１筒状体１１０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第２筒状体１２０と第１筒状体１１０との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る流路（空気流路４０３）となっている。

第２筒状体１２０の内径は、ベースプレートＢＰの外径と略等しい。第２筒状体１２０の下端部近傍における内側面は、全周に亘ってベースプレートＢＰの側面に当接している。当該当接部分において、第２筒状体１２０がベースプレートＢＰに対して固定されている。このような構成により、ベースプレートＢＰよりも下方側の空間と空気流路４０３との間を気体が出入りすることはできなくなっている。

第３筒状体１３０は、第２筒状体１２０を外側から囲むように配置された筒状体である。第３筒状体１３０の内側面と第２筒状体１２０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第３筒状体１３０と第２筒状体１２０との間に形成された空間は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る流路（燃焼排ガス流路４１１）となっている。第３筒状体１３０の上端は、第２筒状体１２０の上端よりも低い位置に配置されている。第３筒状体１３０はベースプレートＢＰの下端よりも更に下方側まで延びている。

第４筒状体１４０は、第３筒状体１３０を外側から囲むように配置された筒状体である。第４筒状体１４０の内側面と第３筒状体１３０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第４筒状体１４０と第３筒状体１３０との間に形成された空間は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る流路（燃焼排ガス流路４１２）となっている。

第２筒状体１２０の上端と第４筒状体１４０の上端とは、その高さ方向の位置が同一となっている。両者は、水平に配置されたドーナツ状の円板である天板１８２により繋がれている。つまり、第２筒状体１２０の上端が天板１８２の内周端に繋れており、第４筒状体１４０の上端が天板１８２の外周端に繋れている。第３筒状体１３０の上端と天板１８２との間には隙間が形成されている。このため、燃焼排ガス流路４１１と燃焼排ガス流路４１２とは、それぞれの上端部において互いに繋がっている。

第３筒状体１３０の下端と第４筒状体１４０の内側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板１８３により繋がれている。つまり、燃焼排ガス流路４１２の下端が底板１８３により塞がれている。

第４筒状体１４０の下部（底板１８３よりも僅かに上方側）には、ガス排出管１９１が接続されている。ガス排出管１９１の内部空間は燃焼排ガス流路４１２に通じている。ガス排出管１９１は、燃焼排ガス流路４１２を通った燃焼排ガスをケーシング１０の外部に排出するための配管である。

第４筒状体１４０は、第３筒状体１３０の下端よりも更に下方側まで延びている。第４筒状体１４０の下端には、当該下端から外側に向かって延びる水平なフランジ部１４１が形成されている。フランジ部１４１は、燃料電池装置ＦＣが設置される際においてケーシング１０の固定に利用されるフランジである。

第４筒状体１４０の下端部近傍には、水平な円板である底板１８４が配置されている。底板１８４の外径は第４筒状体１４０の内径と略等しい。底板１８４は、その外側面全体を第４筒状体１４０の内側面に当接させた状態で固定されている。底板１８４の下方側の空間には断熱材ＴＩが配置されている。

第５筒状体１５０は、ケーシング１０のうち最も外側に配置された筒状体であり、第４筒状体１４０の上部を外側から囲むように配置されている。第５筒状体１５０の内側面と第４筒状体１４０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第５筒状体１５０と第４筒状体１４０との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る流路（空気流路４０１）となっている。

第５筒状体１５０は、第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、及び第４筒状体１４０のいずれの上端よりも更に上方側まで延びている。第５筒状体１５０の上端は水平な天板１８５によって塞がれている。天板１８５と天板１８２との間には隙間４０２が形成されている。空気流路４０１の上端部と空気流路４０３の上端部とは、隙間４０２を介して互いに繋がっている。

第５筒状体１５０の下端と第４筒状体１４０の外側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板１８６により繋がれている。つまり、空気流路４０１の下端が底板１８６により塞がれている。

第５筒状体１５０の下部（底板１８６よりも僅かに上方側）には、第１空気導入管１９２が接続されている。第１空気導入管１９２の内部空間は空気流路４０１に通じている。第１空気導入管１９２は、発電用の空気をケーシング１０の内部に導入するための配管である。

第６筒状体１６０は、第３筒状体１３０の内側であり且つベースプレートＢＰの下方側となる位置に配置された筒状体である。第６筒状体１６０は、上方側の部分である上円筒部１６１と、下方側の部分である下円筒部１６２とを有している。上円筒部１６１の径は下円筒部１６２の径に比べて小さい。上円筒部１６１の下端と下円筒部１６２の上端とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である中間部１６３で繋がれている。上円筒部１６１の上端はベースプレートＢＰの下面に当接している。下円筒部１６２の下端は底板１８４の上面に当接している。

下円筒部１６２の外径は第３筒状体１３０の内径よりも小さい。このため、第３筒状体１３０と第６筒状体１６０との間には全周に亘って隙間が形成されている。また、当該隙間には改質ユニット３０が配置されているが、改質ユニット３０と第６筒状体１６０との間にも全周に亘って隙間が形成されている。以下の説明においては、第６筒状体１６０の内側に形成された空間を「内側空間６０１」とも称する。また、第６筒状体１６０の下円筒部１６２と、改質ユニット３０の内側円筒３２０との間に形成された空間を、「外側空間６０２」とも称する。

下円筒部１６２のうち、改質ユニット３０の下端部よりも低い位置には、貫通孔である流出口１６５が複数形成されている。これら複数の流出口１６５は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。これら流出口１６５により、内側空間６０１と外側空間６０２とが連通されている。流出口１６５は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る孔である。

燃焼器２０は、発電に供しなかった残余の燃料ガス（以下、「残余燃料」とも称する）及び発電に供しなかった残余の空気（以下、「残余空気」とも称する）を混合して燃焼させるためのバーナーである。燃焼器２０はステンレス鋼により形成されている。燃焼器２０は、全体が略円柱形状に形成されており、ベースプレートＢＰの下面のうち中央から下方に向けて突出するように配置されている。また、上面視において、燃焼器２０はケーシング１０の中央となる位置（上円筒部１６１の中心軸に沿った位置）に配置されている。

セルスタックＣＳから排出された残余燃料及び残余空気は、いずれもスタックアダプタＡＤ内に形成された流路（不図示）及びベースプレートＢＰ内に形成された流路（不図示）を通じて、燃焼器２０の上端部へと供給される。その後、残余燃料及び残余空気は、燃焼器２０内に形成された流路（不図示）を通って燃焼器２０の下端部に到達し、下端部において混合されながら下方に向けて噴出される。燃焼器２０の下端部では、噴出された残余燃料及び残余空気が燃焼し、高温の燃焼排ガスが生じる。また、当該燃焼の熱により燃焼器２０自体も高温となる。

尚、スタックアダプタＡＤ内に形成された残余燃料の流路には、当該流路を通る残余燃料の温度を測定するための温度センサＴＳ１が配置されている。温度センサＴＳ１で測定された残余燃料の温度は、不図示の信号線を介して制御装置ＣＵ（図２参照）に入力される。ここで、スタックアダプタＡＤに到達した残余燃料の温度は、セルスタックＣＳの温度にほぼ等しい。このため、温度センサＴＳ１は、セルスタックＣＳの温度を測定するための温度センサ（セルスタック温度センサ）ということもできる。

燃焼器２０の下方側には着火器ＩＧが配置されている。着火器ＩＧは、燃焼器２０から噴出された残余燃料及び残余空気の混合気体に着火させて、燃焼を開始させるための装置である。着火器ＩＧは、底板１８４及び断熱材ＴＩを上下に貫いており、火花放電が生じる上端部を燃焼器２０の下端に近接させた状態で配置されている。着火器ＩＧによる着火は、燃料電池装置ＦＣの起動時において行われる。

内側空間６０１には第２空気導入管５１０の一部が配置されている。第２空気導入管５１０は、ステンレス鋼によって形成された断面が円形の配管であって、底板１８４及び断熱材ＴＩを上下に貫いた状態で配置されている。第２空気導入管５１０の一端（上端）はベースプレートＢＰの下面に接続されている。第２空気導入管５１０の他端は、ケーシング１０の外部に配置された第２ブロアＢＬ２（図２参照）に接続されている。第２ブロアＢＬ２は、空気供給源ＡＳ（本実施形態では大気）からの空気を、第２空気導入管５１０に送り込むための送風機である。

また、第１筒状体１１０の内部空間（セルスタックＣＳが収納されている空間）には空気噴出管５２０が配置されている。空気噴出管５２０は、ステンレス鋼によって形成された断面が円形の配管であって、その下端がスタックアダプタＡＤの上面に接続されており、その上端が開放されている。空気噴出管５２０はセルスタックＣＳの側方側に配置されており、その開放端（上端）は、第１筒状体１１０に形成された吹出口１１１の近傍に位置している。

第２空気導入管５１０の内部と空気噴出管５２０の内部とは、ベースプレートＢＰ内に形成された空気流路（不図示）及びスタックアダプタＡＤ内に形成された空気流路（不図示）を介して接続されている。つまり、第２ブロアＢＬ２から第２空気導入管５１０に空気が送られると、当該空気は空気噴出管５２０の上端から噴出されてセルスタックＣＳに供給される。

第２空気導入管５１０は、その上端近傍の部分（符号５１１が付された部分）が螺旋状となっており、当該部分が燃焼器２０の周囲を取り囲んでいる。このため、第２空気導入管５１０を流れる空気は、燃焼器２０の中心軸の周りを周回しながら流れることとなる。この螺旋状に形成された部分を、以下では螺旋部５１１と表記する。

螺旋部５１１は、燃焼器２０からの輻射熱を受けて高温となる。このため、第２空気導入管５１０の内部を上方に向かって流れる空気は、螺旋部５１１において加熱され高温となった状態で空気噴出管５２０に到達し、セルスタックＣＳの周囲に噴出される。

また、燃焼器２０は、第２空気導入管５１０及びこれを流れる空気に輻射熱を奪われるため（輻射により冷却されるため）、その温度上昇が抑制される。このように、第２空気導入管５１０は、セルスタックＣＳに供給される空気の温度を上昇させる機能と、燃焼器２０の温度が上昇し過ぎてしまうことを防止する機能と、を兼ね備えたものということができる。

改質ユニット３０の構成について説明する。改質ユニット３０は、改質反応によって都市ガスから燃料ガス（水素含有ガス）を生成する改質器３０２と、水蒸気を発生させて改質器３０２に供給する蒸発器３０１とが一体となったものである。改質ユニット３０は、その全体が略円筒形状となっており、ケーシング１０の内部のうち第３筒状体１３０と第６筒状体１６０との間の空間に配置されている。改質ユニット３０は、外側円筒３１０と、内側円筒３２０と、天板３３０と、第１底板３４０と、第２底板３５０と、第１仕切板３６０と、第２仕切板３７０とを有している。

外側円筒３１０は、改質ユニット３０の外側面を形成する筒状体である。外側円筒３１０の中心軸は第３筒状体１３０の中心軸と一致している。外側円筒３１０の外径は第３筒状体１３０の内径に略等しい。外側円筒３１０は、その外側面の略全体が第３筒状体１３０の内側面に当接している。外側円筒３１０は、底板１８３よりも更に下方側まで延びている。

内側円筒３２０は、改質ユニット３０の内側面を形成する筒状体である。内側円筒３２０の中心軸は第３筒状体１３０の中心軸と一致している。内側円筒３２０の外径は、外側円筒３１０の内径よりも小さい。このため、外側円筒３１０と内側円筒３２０と間には空間が形成されている。後に説明するように、当該空間の一部が、水が水蒸気となって流れる空間となっている。また、当該空間の他の一部が、改質反応が生じて燃料ガスが生成される空間となっている。

内側円筒３２０の内径は、第３筒状体１３０の下円筒部１６２の外径よりも大きい。このため、既に説明したように、改質ユニット３０と第６筒状体１６０との間には全周に亘って隙間が形成されている。内側円筒３２０の上端の高さは、外側円筒３１０の上端の高さと同一となっている。一方、内側円筒３２０の下端の高さは、外側円筒３１０の下端の高さよりも高くなっており、底板１８３の下端の高さと同一となっている。

天板３３０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。天板３３０の外側面は、外側円筒３１０の内側面のうち上端部に繋がっている。また、天板３３０の内側面は、内側円筒３２０の外側面のうち上端部に繋がっている。このように、天板３３０によって外側円筒３１０の上端と内側円筒３２０の上端とが繋がれている。

第１底板３４０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第１底板３４０は底板１８３と同一の高さとなる位置に配置されている。第１底板３４０の外側面は、後述の第１仕切板３６０の内側面に繋がっている。また、第１底板３４０の内側面は、内側円筒３２０の内側面のうち下端部に繋がっている。

第２底板３５０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第２底板３５０の外側面は、外側円筒３１０の内側面のうち下端部に繋がっている。また、第２底板３５０の内側面は、後述の第１仕切板３６０の外側面のうち下端部に繋がっている。このため、第２底板３５０は第１底板３４０よりも低い位置に配置されている。

第１仕切板３６０は、その一部が改質ユニット３０の内部に配置された筒状体である。第１仕切板３６０の中心軸は、外側円筒３１０の中心軸及び内側円筒３２０の中心軸と一致している。第１仕切板３６０の外径は、外側円筒３１０の内径よりも小さい。このため、外側円筒３１０と第１仕切板３６０と間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。

第１仕切板３６０の上端の高さは、外側円筒３１０の上端の高さよりも低くなっている。このため、第１仕切板３６０の上端と天板３３０の下面との間には隙間が空いている。第１仕切板３６０の下端の高さは、外側円筒３１０の下端の高さと同一となっている。既に述べたように、第１仕切板３６０の下端部には外側から第２底板３５０が繋がっている。また、第１仕切板３６０には内側から第１底板３４０が繋がっている。

第２仕切板３７０は、その全体が改質ユニット３０の内部に配置された筒状体である。第２仕切板３７０の中心軸は、外側円筒３１０の中心軸及び内側円筒３２０の中心軸と一致している。第２仕切板３７０の外径は、第１仕切板３６０の内径よりも小さい。このため、第２仕切板３７０と第１仕切板３６０と間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。また、第２仕切板３７０の内径は、内側円筒３２０の外径よりも大きい。このため、第２仕切板３７０と内側円筒３２０と間にも、全周に亘って一定の隙間が形成されている。

第２仕切板３７０は、その上端を天板３３０の底面に当接させた状態で、天板３３０に対して固定されている。第２仕切板３７０の下端の高さは、内側円筒３２０の下端の高さよりも高くなっている。このため、第２仕切板３７０の下端と第１底板３４０の上面との間には隙間が空いている。

以上のような構成により、改質ユニット３０の内部には、外側円筒３１０と第１仕切板３６０と間に形成された空間である第１空間３８１と、第１仕切板３６０と第２仕切板３７０と間に形成された空間である第２空間３８２と、第２仕切板３７０と内側円筒３２０と間に形成された空間である第３空間３８３とが形成されている。第１仕切板３６０の上方において第１空間３８１と第２空間３８２とが繋がっており、第２仕切板３７０の下方において第２空間３８２と第３空間３８３とが繋がっている。

第２底板３５０には、水供給配管３９１の一端が下方から接続されている。水供給配管３９１は、第１空間３８１に水を供給するための配管である。水供給配管３９１の他端は、ケーシング１０の外部に配置された水供給ポンプＷＰ（図２参照）に接続されている。

後に詳しく説明するように、水供給配管３９１から第１空間３８１内に供給された水は、燃焼排ガス流路４１２を通る高温の燃焼排ガスによって加熱されて水蒸気となる。水蒸気は、第１空間３８１、第２空間３８２を順に通って、第３空間３８３の入口に到達する。このように、改質ユニット３０のうち、第１空間３８１、第２空間３８２、及びこれらを区画する壁面は、外部から水の供給を受けて水蒸気を発生させる部分、すなわち蒸発器３０１に該当する部分となっている。

第１空間３８１には支持板３５２が配置されている。支持板３５２は、第１空間３８１を上下に仕切るように水平に配置されたドーナツ状の板である。支持板３５２は、第１底板３４０と同一の高さとなる位置において、外側円筒３１０及び第１仕切板３６０に対して固定されている。支持板３５２には複数の貫通孔（不図示）が形成されており、支持板３５２を水が通過し得るようになっている。第１空間３８１のうち支持板３５２よりも上方側には、外側円筒３１０から水への伝熱を促進するための伝熱促進部材ＣＢが充填されている。伝熱促進部材ＣＢは複数のアルミナの球体（セラミックボール）である。

第１底板３４０には、都市ガス供給配管３９２の一端が下方から接続されている。都市ガス供給配管３９２は、第３空間３８３の入口部分に都市ガスを供給するための配管である。都市ガス供給配管３９２の他端は、都市ガス供給源ＧＳ（図２参照）に接続されている。都市ガス供給源ＧＳは、例えばガスメータである。

第３空間３８３には改質触媒ＲＣが充填されている。改質触媒ＲＣは、アルミナの球体表面にニッケル等の触媒金属を担持させたものである。第３空間３８３のうち、第２仕切板３７０の下端より僅かに高い位置には、水平に配置された金属網が固定されている。当該金属網によって改質触媒ＲＣが下方から支えられている。

後に詳しく説明するように、都市ガス供給配管３９２から改質ユニット３０の内部に供給された都市ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合された後、第３空間３８３を上方に向かって流れる。この時、都市ガスと水蒸気が改質触媒ＲＣに触れることによって水蒸気改質反応が生じ、燃料ガス（水素含有ガス）が生成される。このように、改質ユニット３０のうち、第３空間３８３及びこれを区画する壁面は、蒸発器３０１からの水蒸気の供給、及び外部から都市ガスの供給を受けて水蒸気改質反応が生じる部分、すなわち改質器３０２に該当する部分となっている。改質触媒ＲＣは、第３空間３８３の周方向全体に亘って充填されている。このため、蒸発器３０１から供給された水蒸気が、改質触媒ＲＣに触れることなく第３空間３８３を通過してしまうことはない。

尚、第３空間３８３内には、改質触媒ＲＣの温度を測定するための温度センサＴＳ２が配置されている。温度センサＴＳ２で測定された改質触媒ＲＣの温度は、不図示の信号線を介して制御装置ＣＵに入力される。温度センサＴＳ２は、改質器３０２の内部の温度を測定するための温度センサ（改質器温度センサ）ということもできる。

内側円筒３２０のうち上端部の近傍には、燃料ガス供給配管３９３の一端が接続されている。燃料ガス供給配管３９３は、改質ユニット３０（改質器３０２）において生成された燃料ガスをセルスタックＣＳへ供給するための配管である。燃料ガス供給配管３９３の他端はベースプレートＢＰの下面に接続されている。燃料ガスは、第３空間３８３の上部から燃料ガス供給配管３９３を通ってベースプレートＢＰに到達する。その後、ベースプレートＢＰ内に形成された流路（不図示）及びスタックアダプタＡＤ内に形成された流路（不図示）を通って、セルスタックＣＳに供給される。

改質ユニット３０は、耐熱性の部材からなる円筒型のシールブロックＳＢにより下方から支持されている。シールブロックＳＢは、その上端が改質ユニット３０の下面（第１底板３４０）に当接しており、その下端が底板１８４の上面に当接している。シールブロックＳＢの内径は改質ユニット３０の内径に等しい。また、シールブロックＳＢの径方向の寸法（厚さ）は、改質ユニット３０の径方向の寸法（厚さ）よりも小さくなっている。このため、図１に示されるように、シールブロックＳＢの外側（改質ユニット３０の下方側）には空間ＳＰが形成されている。

第６筒状体１６０の外側の空間と空間ＳＰとは、改質ユニット３０及びシールブロックＳＢによって分離されており、両者の間をガスが通過することができなくなっている。高温の燃焼排ガスが空間ＳＰ内に流入しないため、空間ＳＰ内の気温は比較的低温に保たれている。

制御装置ＣＵは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えたコンピュータシステムであり、燃料電池装置ＦＣの全体の動作を制御するものである。後に詳しく説明するように、制御装置ＣＵは、第１ブロアＢＬ１及び第２ブロアＢＬ２の回転（送風量）をそれぞれ制御することにより、セルスタックＣＳに供給される空気の流量を調整する。また、流量調整弁ＶＶの開度を制御することにより、改質ユニット３０に供給される都市ガスの流量（セルスタックＣＳに供給される燃料ガスの流量ともいえる）を調整する。更に、水供給ポンプＷＰの動作を制御することにより、改質ユニット３０に供給される水の流量を調整する。

続いて、燃料電池装置ＦＣの定常運転中、すなわち、起動が完了して定格電力又はそれに近い電力が出力されているときにおける、ガス（空気、都市ガス、燃料ガス、及び燃焼排ガス）の流れについて説明する。

まず、セルスタックＣＳに供給される発電用の空気（酸化剤ガス）の流れについて説明する。空気は、ケーシング１０の外部に配置された第１ブロアＢＬ１（図２参照）から、第１空気導入管１９２を通じてケーシング１０の内部に供給される。図２に示されるように第１ブロアＢＬ１は、空気供給源ＡＳ（本実施形態では大気）からの空気を、第１空気導入管１９２に送り込むための送風機である。

第１空気導入管１９２を通じてケーシング１０に供給された空気は、空気流路４０１を上方に向かって流れる。その後、隙間４０２を経由して空気流路４０３に流入し、空気流路４０３を下方に向かって流れる。

空気流路４０１と空気流路４０３との間には、燃焼排ガス流路４１１及び燃焼排ガス流路４１２が形成されている。これら燃焼排ガス流路４１１及び燃焼排ガス流路４１２の内部では、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、ケーシング１０内に導入された空気は、空気流路４０１及び空気流路４０３を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、空気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。

また、発電中においてセルスタックＣＳは高温となっており、セルスタックＣＳからの輻射熱によって第１筒状体１１０も高温となっている。このため、空気は、空気流路４０３を通る際において第１筒状体１１０に触れることにより更に加熱される。

このように、空気流路４０１及び空気流路４０３は、燃焼排ガスの熱及びセルスタックＣＳからの輻射熱（セルスタックＣＳとの熱交換）によって空気が加熱されながら流れる流路となっている。このため、以下の説明においては、空気流路４０１と空気流路４０３とをまとめて「第１空気加熱流路４０」とも表記する。第１空気加熱流路４０は、セルスタックＣＳを側方から取り囲むように配置されている。第１空気加熱流路４０は、燃焼器２０における燃焼により生じた燃焼排ガスと、セルスタックＣＳに供給される空気と、の間で熱交換を行う「予熱器」に該当するものである。

空気流路４０３の下部まで到達した空気は、第１筒状体１１０に形成された吹出口１１１からセルスタックＣＳに向けて噴出される。その後、空気はそれぞれの燃料電池セルの空気極に到達し、発電に供される。

セルスタックＣＳは、第１筒状体１１０及びその外側（空気流路４０３）を流れる空気に輻射熱を奪われて（輻射により冷却されて）、その温度上昇が抑制される。セルスタックＣＳは、上記のように輻射伝熱によって熱を奪われることに加えて、空気流路４０３を通り吹出口１１１から噴出された空気に直接触れることによっても熱を奪われる。このように奪われる熱と、発電に伴って生じる熱とのバランスが保たれることにより、セルスタックＣＳの温度は適切な温度（約７００度）に保たれる。

このため、第１空気加熱流路４０は、セルスタックＣＳに発電用の空気を供給する機能と、セルスタックＣＳを冷却してその温度を発電に適した温度（約７００度）に保つ機能と、を兼ね備えたものということができる。

ところで、既に説明したように、燃料電池装置ＦＣでは空気噴出管５２０からもセルスタックＣＳに空気を供給することが可能となっている。つまり、第１空気加熱流路４０とは別の流路からも空気を供給することが可能となっている。このため、第２ブロアＢＬ２、第２空気導入管５１０、及び空気噴出管５２０を順に通る空気の流路のことを、以下では第２空気加熱流路５０とも表記する。尚、燃料電池装置ＦＣの定常運転中においては、第２ブロアＢＬ２は停止している。このため、セルスタックＣＳには第１空気加熱流路４０からのみ空気が供給される。

セルスタックＣＳに供給される燃料ガスの流れ、及び燃料ガスの原料である都市ガスの流れについて説明する。都市ガスは、ケーシング１０の外部（都市ガス供給源ＧＳ）から都市ガス供給配管３９２を通じて改質ユニット３０内に供給される。都市ガスの供給源と都市ガス供給配管３９２との間には脱硫器（不図示）が配置されている。脱硫器は、都市ガスに含まれる硫黄成分を除去するための装置である。都市ガスは、燃料電池セルの性能に悪影響を及ぼす硫黄成分が脱硫器によって除去された後、改質ユニット３０内に供給される。

都市ガス供給配管３９２の上流側端部（都市ガス供給配管３９２と脱硫器の間）には、流量調整弁ＶＶが配置されている。流量調整弁ＶＶは、その開度を変化させることによって、都市ガス供給源ＧＳから都市ガス供給配管３９２に送り込まれる都市ガスの流量を調整するための弁である。流量調整弁ＶＶの開度は制御装置ＣＵによって調整される。

都市ガス供給配管３９２から改質ユニット３０の内部に供給された都市ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合される。その後、改質触媒ＲＣが充填された第３空間３８３を上方に向かって流れる。

第６筒状体１６０の下円筒部１６２と、改質ユニット３０の内側円筒３２０との間に形成された空間には、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、都市ガス及び水蒸気は、第３空間３８３を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、都市ガス及び水蒸気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。また、第３空間３８３に充填されている改質触媒ＲＣも、内側円筒３２０を通じた伝熱によって高温となっている。

燃焼器２０を取り囲む第６筒状体１６０は、燃焼排ガスによって加熱されていることに加え、燃焼器２０からの輻射熱によっても加熱されているため、非常に高温となっている。その結果、改質ユニット３０の内側円筒３２０には、高温となった第６筒状体１６０からの輻射熱（燃焼器２０から第６筒状体１６０を経由して到達した輻射熱ともいえる）が到達している。つまり、内側円筒３２０を含む改質器３０２は、燃焼排ガスによって加熱されるだけではなく、燃焼器２０からの輻射熱によっても加熱されている。

このような状態において、都市ガスと水蒸気の混合ガスが改質触媒ＲＣに触れると、第３空間３８３（改質器３０２）では水蒸気改質反応が生じる。その結果、上記混合ガスから燃料ガスが生成される。尚、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を安定して維持させるためには熱の供給が必要となる。本実施形態においては、内側円筒３２０を通じて加えられる燃焼排ガスからの熱、及び燃焼器２０からの輻射熱の両方が、水蒸気改質反応を維持するための熱として用いられる。

改質器３０２において生成された燃料ガスは、燃料ガス供給配管３９３及びスタックアダプタＡＤ内の流路を通ってセルスタックＣＳに供給される。燃料ガスは、それぞれの燃料電池セルの燃料極に到達し、発電に供される。

燃焼排ガスの流れについて説明する。既に説明したように、セルスタックＣＳから排出された残余燃料及び残余空気は燃焼器２０に供給され、燃焼器２０の下端部において燃焼する。当該燃焼の結果、第６筒状体１６０の内部（内側空間６０１）では高温の燃焼排ガスが生じる。燃焼排ガスは、流出口１６５を通って第６筒状体１６０の外側（外側空間６０２）へ流出する。

その後、燃焼排ガスは、内側円筒３２０に沿って外側空間６０２を上方に向かって流れる。このとき、既に述べたように、燃焼排ガスの熱は内側円筒３２０を通じて第３空間３８３に伝達され、水蒸気改質反応を維持するための熱の一部として用いられる。

外側空間６０２を通過した燃焼排ガスは、空気流路４０３を流れる空気との間で熱交換しながら、燃焼排ガス流路４１１を上方に向かって流れる。続いて、空気流路４０１を流れる空気との間で熱交換しながら、燃焼排ガス流路４１２を下方に向かって流れる。

改質ユニット３０の外側円筒３１０は、支持板３５２よりも上方側の部分において第３筒状体１３０の内側面に当接している。このため、燃焼排ガス流路４１２を通る燃焼排ガスによって外側円筒３１０は高温となっている。

水供給配管３９１から第１空間３８１内に供給された水は、外側円筒３１０からの伝熱（燃焼排ガスの熱）により加熱されて水蒸気となる。つまり、水と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、これにより第１空間３８１内で水蒸気が生成される。

燃焼排ガス流路４１２の下端部まで到達した燃焼排ガスは、ガス排出管１９１を通って排熱回収器（不図示）に供給される。排熱回収器は、燃焼排ガスと水と熱交換させることにより湯を生成するものである。このように、燃料電池装置ＦＣは発電を行うことに加えて湯を生成することも可能となっており、高い効率でエネルギーを利用するコジェネレーションシステムとなっている。

続いて、水及び水蒸気の流れについて説明する。改質ユニット３０（蒸発器３０１）には、ケーシング１０の外部に配置された水供給ポンプＷＰから水供給配管３９１を通じて水が供給される。水供給ポンプＷＰは、水供給源ＷＳ（図２参照）からの水を水供給配管３９１に送り込むためのポンプである。水供給配管３９１は第２底板３５０に対して下方から接続されている。このため、供給された水は、まず第１空間３８１の下部に形成された空間に溜まることとなる。具体的には、第１空間３８１のうち支持板３５２よりも下方側の空間である貯水部ＷＳＴに溜まることとなる。

貯水部ＷＳＴは、外側円筒３１０のうち底板１８３よりも下方側の部分（以下、当該部分を「区画壁３１１」とも表記する）と、第２底板３５０と、第１仕切板３６０のうち第１底板３４０よりも下方側の部分（以下、当該部分を「区画壁３６１」とも表記する）とによって区画された空間となっている。

貯水部ＷＳＴを区画する区画壁３１１、第２底板３５０、及び区画壁３６１は、改質ユニット３０の底面の一部を下方に向けて延ばしたような形状となっている。これらは、いずれも空間ＳＰ内に配置されている。つまり、高温の燃焼排ガスが到達せず、比較的低温となっている空間内に配置されている。

また、燃焼排ガス流路４１２を通る燃焼排ガスによって外側円筒３１０は加熱されるのであるが、区画壁３１１は底板１８３よりも下方側に配置されているため、燃焼排ガスによって直接は加熱されない。このため、貯水部ＷＳＴ内において水が沸騰することはなく、貯水部ＷＳＴ内は全体が水（液体）で満たされている。

水供給ポンプＷＰから水が供給されることにより、第１空間３８１内の水面の高さは、支持板３５２の上面よりも僅かに高い位置に維持される。このため、支持板３５２の上方側に充填された伝熱促進部材ＣＢ（アルミナの球体）は、一部が水没した状態となっている。

第１空間３８１内においては、燃焼排ガスによって高温となった外側円筒３１０からの伝熱により、伝熱促進部材ＣＢも高温となっている。支持板３５２よりも上方側に存在する水は、高温の伝熱促進部材ＣＢに触れることにより沸騰し、水蒸気となる。

このように、第１空間３８１内において水は水蒸気となり、上方側に向かって流れる。その後、水蒸気は第２空間３８２を下方に向かって流れて、第３空間３８３（改質器３０２）に供給される。

燃料電池装置ＦＣが備えるセンサについて説明する。燃料電池装置ＦＣは、これまでに説明した温度センサＴＳ１、ＴＳ２の他にも種々のセンサを備えており、これらセンサによって測定された測定値がそれぞれ制御装置ＣＵに入力される構成となっている。図２に示されるように、燃料電池装置ＦＣは、電流センサＩＳと、電圧センサＶＳと、第１空気流量センサＡＦＳ１と、第２空気流量センサＡＦＳ２と、都市ガス流量センサＧＦＳと、水流量センサＷＦＳと、を備えている。尚、説明の便宜上、図２においては全てのセンサがケーシング１０の外側に配置されているように描かれているが、実際には、一部のセンサ（例えば温度センサＴＳ１）はケーシング１０の内側に配置されている。

電流センサＩＳは、セルスタックＣＳから取り出されて外部に出力される電力の電流値を測定するセンサである。電圧センサＶＳは、セルスタックＣＳから取り出されて外部に出力される電力の電圧値を測定するセンサである。制御装置ＣＵは、電流センサＩＳで測定された電流値、及び電圧センサＶＳで測定された電圧値に基づいて、燃料電池装置ＦＣから外部の負荷に向けて出力されている電力の大きさを常に算出し、監視している。

第１空気流量センサＡＦＳ１は、第１空気導入管１９２を流れる空気の流量を測定するセンサである。制御装置ＣＵは、第１空気流量センサＡＦＳ１で測定された空気の流量に基づいて第１ブロアＢＬ１の動作を制御することにより、第１空気加熱流路４０からセルスタックＣＳに供給される空気の流量が適切となるように調整する。

第２空気流量センサＡＦＳ２は、第２空気導入管５１０を流れる空気の流量を測定するセンサである。制御装置ＣＵは、第２空気流量センサＡＦＳ２で測定された空気の流量に基づいて第２ブロアＢＬ２の動作を制御することにより、第２空気加熱流路５０からセルスタックＣＳに供給される空気の流量が適切となるように調整する。尚、既に説明したように、第２空気加熱流路５０からの空気の供給は、燃料電池装置ＦＣの定常運転中においては行われない。第２空気加熱流路５０からの空気の供給が行われる場合については、後に説明する。

都市ガス流量センサＧＦＳは、都市ガス供給配管３９２を流れる都市ガスの流量を測定するセンサである。制御装置ＣＵは、都市ガス流量センサＧＦＳで測定された都市ガスの流量に基づいて流量調整弁ＶＶの動作を制御することにより、都市ガス供給配管３９２から改質ユニット３０に供給される都市ガスの流量が適切となるように調整する。

水流量センサＷＦＳは、水供給配管３９１を流れる水の流量を測定するセンサである。制御装置ＣＵは、水流量センサＷＦＳで測定された水の流量に基づいて水供給ポンプＷＰの動作を制御することにより、水供給配管３９１から改質ユニット３０に供給される水の流量が適切となるように調整する。

燃料電池装置ＦＣは、外部負荷の要求電力が変化することに合わせて、セルスタックＣＳにおける発電量を変化させる。つまり、所謂「負荷追従運転」を行うように構成されている。制御装置ＣＵは、電流センサＩＳ及び電圧センサＶＳの測定値に基づいて算出された電力（以下、「出力電力Ｐ」と表記する）の変化を常に監視しており、出力電力Ｐに応じて第１ブロアＢＬ１、第２ブロアＢＬ２、流量調整弁ＶＶ、及び水供給ポンプＷＰの動作を制御する。

これまでに説明したように、セルスタックＣＳは、第１空気加熱流路４０を流れる空気との熱交換により奪われる熱と、発電により生じた熱とがバランスすることによって、適切な温度（約７００度）に保たれている。しかしながら、発電する電力が定格電力よりも低下したときには、セルスタックＣＳにおいて生じる熱も少なくなるので、上記のバランスが崩れてしまうこととなる。つまり、セルスタックＣＳで生じる熱よりも、空気により奪われる熱の方が遥かに多くなってしまうこととなる。その結果、セルスタックＣＳの温度が低下してしまい、発電性能が低下してしまうことが考えられる。

このような現象は、負荷の需要電力が低下した場合のほか、燃料電池装置ＦＣの起動時や、ホットスタンバイ時にも生じうる。起動時やホットスタンバイ時には、セルスタックＣＳにおいて発電される電力は０であるか、補機類に供給する最低限の大きさとなっており、セルスタックＣＳにおいて生じる熱が定常運転時に比べて少ないからである。起動時において、第１空気加熱流路４０を流れる空気によりセルスタックＣＳの熱が奪われると、セルスタックＣＳの温度上昇に時間がかかり過ぎてしまうことも考えられる。

そこで、本実施形態に係る燃料電池装置ＦＣでは、出力電力Ｐが所定の電力閾値よりも低下していること（起動時、ホットスタンバイ時を含む）が検知されると、制御装置ＣＵによって第２ブロアＢＬ２の運転が開始される。同時に、第１ブロアＢＬ１の送風量が抑制される。つまり、セルスタックＣＳへ供給される空気の一部又は全部が、第２空気加熱流路５０から供給される状態となる。尚、この時における燃料電池装置ＦＣの運転モードを、以下では「低負荷モード」と称する。これに対し、定常運転が行われているときにおける燃料電池装置ＦＣの運転モードを、以下では「定常モード」と称する。

既に説明したように、第２空気加熱流路５０は、第２ブロアＢＬ２、第２空気導入管５１０（螺旋部５１１）、及び空気噴出管５２０によって構成された流路である。第１空気加熱流路４０とは異なり、第２空気加熱流路５０は、内部を流れる空気とセルスタックＣＳとの直接的な熱交換が行われるような部分を有していない。第２空気加熱流路５０を流れる空気は、燃焼器２０の燃焼熱（輻射熱及び燃焼排ガスの熱）によってのみ加熱され、セルスタックＣＳにおいて生じる熱によっては加熱されない。このため、第２ブロアＢＬ２から第２空気加熱流路５０を介してセルスタックＣＳに空気を供給すれば、セルスタックＣＳから熱を奪うことなく空気を供給することができる。

セルスタックＣＳにおいて生じる熱が少なくても、かかる熱を奪うことなく空気が供給される。このため、セルスタックＣＳの温度が低下してしまったり、セルスタックＣＳの温度上昇に時間がかかり過ぎてしまったりすることが防止される。

ところで、セルスタックＣＳの温度低下を防止するための対策としては、燃焼器２０に供給される残余燃料及び残余空気の量を増加させ、第１空気加熱流路４０に対する燃焼排ガスの供給量を増加させることも考えられる。つまり、燃焼器２０から多くの熱量を第１空気加熱流路４０に送るようにすることで、第１空気加熱流路４０からセルスタックＣＳに供給される空気を高温としてもよいように思われる。

しかしながら、そのような場合には、燃焼排ガスは改質器３０２の近傍（外側空間６０２）を通ってから第１空気加熱流路４０に到達することとなるので、吸熱反応が生じている改質器３０２で一旦燃焼排ガスの温度が低下することとなる。このため、第１空気加熱流路４０に十分な熱量の燃焼排ガスを送ろうとすると、燃焼器２０の温度を非常に高温としなければならなくなる。その結果、燃焼器２０を構成する部品が高温により劣化してしまう恐れがある。

それに対し、本実施形態では、改質器３０２の近傍を通らない経路（第２空気加熱流路５０）を通じてセルスタックＣＳに空気を供給しすることができる。このため、燃焼器２０に負担をかけることなく、十分に加熱された空気をセルスタックＣＳに供給することができる。

低負荷モードにおいては、第１空気加熱流路４０からの空気の供給量は０としてもよく、第１空気加熱流路４０からの空気の供給と第２空気加熱流路５０からの空気の供給とが同時に行われることとしてもよい。本実施形態においては、低負荷モードにおいても第１空気加熱流路４０からセルスタックＣＳへの空気の供給が行われる。ただし、その供給量は一定ではなく、セルスタックＣＳの温度に基づいて供給量が変化するよう、制御装置ＣＵによる第１ブロアＢＬ１の制御が行われる。更に、改質器３０２の温度に基づいて第２空気加熱流路５０からの空気の供給量が変化するよう、制御装置ＣＵによる第２ブロアＢＬ２の制御が行われる。

図３を参照しながら、低負荷モードにおいて制御装置ＣＵにより行われる制御について説明する。制御装置ＣＵは、燃料電池装置ＦＣから出力されている電力（出力電力Ｐ）の大きさが予め設定された電力閾値を下回ると、低負荷モードに移行し、図３のフローチャートに示される制御を開始する。かかる制御は、低負荷モードの間、制御装置ＣＵによって繰り返し実行される。

ステップＳ０１では、温度センサＴＳ１によって測定されたセルスタックＣＳの温度が、所定の閾値ＴＨ１よりも高いか否かが判定される。セルスタックＣＳの温度が閾値ＴＨ１よりも高い場合には、ステップＳ０２に移行する。

ステップＳ０２では、制御装置ＣＵは第１ブロアＢＬ１の回転数を増加させることにより、第１空気加熱流路４０からセルスタックＣＳに供給される空気の量を増加させる。空気によってセルスタックＣＳから奪われる熱の量が増加し、セルスタックＣＳの温度が閾値ＴＨ１よりも低い温度に抑えられることとなる。ステップＳ０２の処理が完了すると、ステップＳ０５に移行する。

ステップＳ０１において、セルスタックＣＳの温度が閾値ＴＨ１以下である場合には、ステップＳ０３に移行する。ステップＳ０３では、温度センサＴＳ１によって測定されたセルスタックＣＳの温度が、所定の閾値ＴＨ２よりも低いか否かが判定される。閾値ＴＨ２は、閾値ＴＨ１よりも低い値として設定されている。セルスタックＣＳの温度が閾値ＴＨ２よりも低い場合には、ステップＳ０４に移行する。

ステップＳ０４では、制御装置ＣＵは第１ブロアＢＬ１の回転数を減少させることにより、第１空気加熱流路４０からセルスタックＣＳに供給される空気の量を減少させる。空気によってセルスタックＣＳから奪われる熱の量が減少し、セルスタックＣＳの温度が閾値ＴＨ２よりも高い温度に上昇することとなる。ステップＳ０４の処理が完了すると、ステップＳ０５に移行する。

ステップＳ０３において、セルスタックＣＳの温度が閾値ＴＨ２以上である場合には、セルスタックＣＳの温度は適温（閾値ＴＨ２以上、閾値ＴＨ１未満）ということである。制御装置ＣＵは、第１ブロアＢＬ１の回転数を変化させることなく、ステップＳ０５に移行する。

ステップＳ０５では、温度センサＴＳ２によって測定された改質器３０２の温度（改質触媒ＲＣの温度）が、所定の閾値ＴＨ３よりも高いか否かが判定される。改質器３０２の温度が閾値ＴＨ３よりも高い場合には、ステップＳ０６に移行する。

ステップＳ０６では、制御装置ＣＵは第２ブロアＢＬ２の回転数を増加させることにより、第２空気加熱流路５０からセルスタックＣＳに供給される空気の量を増加させる。空気によって燃焼器２０から奪われる熱の量が増加し、燃焼器２０の温度が低下する。その結果、燃焼器２０によって加熱される改質器３０２の温度も低下して、閾値ＴＨ３よりも低い温度に抑えられることとなる。

図１に示されるように、本実施形態では、第２空気加熱流路５０を構成する螺旋部５１１が、燃焼器２０と改質器３０２との間となる位置に配置されている。このため、上記のような温度の調整が可能となっている。

ステップＳ０５において、改質器３０２の温度が閾値ＴＨ３以下である場合には、ステップＳ０７に移行する。ステップＳ０７では、温度センサＴＳ２によって測定された改質器３０２の温度が、所定の閾値ＴＨ４よりも低いか否かが判定される。閾値ＴＨ４は、閾値ＴＨ３よりも低い値として設定されている。改質器３０２の温度が閾値ＴＨ４よりも低い場合には、ステップＳ０８に移行する。

ステップＳ０８では、制御装置ＣＵは第２ブロアＢＬ２の回転数を減少させることにより、第２空気加熱流路５０からセルスタックＣＳに供給される空気の量を減少させる。空気によって燃焼器２０から奪われる熱の量が減少し、燃焼器２０の温度が上昇する。その結果、燃焼器２０によって加熱される改質器３０２の温度も上昇して、閾値ＴＨ４よりも高い温度に上昇することとなる。

ステップＳ０７において、改質器３０２の温度が閾値ＴＨ４以上である場合には、改質器３０２の温度は適温（閾値ＴＨ４以上、閾値ＴＨ３未満）ということである。制御装置ＣＵは、第２ブロアＢＬ２の回転数を変化させることなく、図３に示される処理を終了する。

以上に説明した一連の処理が、低負荷モードの間繰り返し実行される。つまり、出力電力Ｐが所定の電力閾値以上となるまで（定常モードとなるまで）、図３に示される処理が制御装置ＣＵによって繰り返し実行される。このような構成により、セルスタックＣＳにおいて生じる熱が比較的少ない低負荷モードにおいても、セルスタックＣＳの温度は低下し過ぎることがなく、適切な温度範囲に維持される。これに加えて、改質器３０２の温度も適切な温度範囲に維持される。

このような制御は、セルスタックＣＳから周囲に放散されてしまう熱を、（第２空気加熱流路５０を介して伝達される）燃焼器２０の燃焼熱によって補うような制御ともいうことができる。

本実施形態においては、燃料電池装置ＦＣから外部の負荷に向けて出力されている電力（出力電力Ｐ）を制御装置ＣＵが監視している。出力電力Ｐが所定の電力閾値を下回ると、低負荷モードに移行して第２空気加熱流路５０からの空気の供給が開始され、図３に示された処理が開始される。

このような態様に替えて、セルスタックＣＳの温度に基づいて低負荷モードに移行するような構成としてもよい。つまり、温度センサＴＳ１によって測定されるセルスタックＣＳの温度を制御装置ＣＵが監視しており、当該温度が所定の温度閾値を下回ると、第２空気加熱流路５０からの空気の供給、及び図３に示された処理が開始される構成としてもよい。このような態様であっても、セルスタックＣＳの温度が低下し過ぎてしまうことや、セルスタックＣＳの温度上昇に時間がかかり過ぎてしまうことを防止することができる。

図４を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置ＦＣａについて説明する。燃料電池装置ＦＣａは、空気噴出管５２０ａの形状においてのみ燃料電池装置ＦＣａと異なっている。燃料電池装置ＦＣａの他の構成については、これまでに説明した燃料電池装置ＦＣと同一である。

図４に示されるように、空気噴出管５２０ａは、鉛直部５２１ａと、螺旋部５２２ａと、噴出部５２３ａとを有している。

鉛直部５２１ａは、空気噴出管５２０ａのうち最も下方側（上流側）の部分である。鉛直部５２１ａは、第１実施形態の空気噴出管５２０と同様に、スタックアダプタＡＤの上面から上方に向かって伸びるように形成されている。

螺旋部５２２ａは、鉛直部５２１ａの上端から更に上方側に向かって伸びる部分である。螺旋部５２２ａは全体が螺旋状となっており、セルスタックＣＳの周囲を取り囲んでいる。ただし、螺旋部５２２ａとセルスタックＣＳとは互いに接触しておらず、両者の間には略一定の隙間が形成されている。

噴出部５２３ａは、空気噴出管５２０ａのうち最も上方側（下流側）の部分である。噴出部５２３ａは、螺旋部５２２ａの上端から鉛直下方に向かって伸びている。噴出部５２３ａの長さは鉛直部５２１ａの長さよりも短く、その下端はセルスタックＣＳの上端部近傍に配置されている。噴出部５２３ａの下端は開口端となっている。

本実施形態においては、空気噴出管５２０ａを流れる空気は、螺旋部５２２ａを流れた後に噴出部５２３ａから噴出される。その後、それぞれの燃料電池セルの空気極に到達し、発電に供される。

空気噴出管５２０ａを空気が通るとき、すなわち、第２空気加熱流路５０からセルスタックＣＳに空気が供給されるときは、起動時やホットスタンバイ時なのであるから、セルスタックＣＳの温度は通常の発電時に比べて低温になっている。このとき、燃焼器２０によって加熱された空気が通る螺旋部５２２ａの温度は、セルスタックＣＳの温度よりも高い。このため、高温の螺旋部５２２ａからの輻射熱（高温の空気の熱ともいえる）がセルスタックＣＳに到達し、これによりセルスタックＣＳが加熱される。

つまり、セルスタックＣＳは、第２空気加熱流路５０から噴出される高温の空気に直接触れることによって加熱されるだけでなく、螺旋部５２２ａからの輻射熱によっても加熱される。このため、セルスタックＣＳを適温に保つための加熱を更に効率的に行うことができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

ＦＣ，ＦＣａ：燃料電池装置
ＣＳ：セルスタック
２０：燃焼器
４０：第１空気加熱流路
５０：第２空気加熱流路
５１０：第２空気導入管５１０
５１１：螺旋部
３０：改質ユニット
３０２：改質器

Claims (9)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池セルスタック（ＣＳ）と、
   前記酸化剤ガスを、前記燃料電池セルスタックとの熱交換により温度を上昇させた後に前記燃料電池セルスタックに供給する第１供給手段（４０）と、を備え、
   前記酸化剤ガスを、前記燃料電池セルスタックから熱を奪うことなく前記燃料電池セルスタックに供給する第２供給手段（５０）を更に備えたことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記燃料電池セルスタックにおいて発電される電力が所定の電力閾値よりも低くなると、前記第２供給手段からの前記酸化剤ガスの供給が行われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記燃料電池セルスタックの温度が所定の温度閾値よりも低くなると、前記第２供給手段からの前記酸化剤ガスの供給が行われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 前記燃料電池セルスタックから排出された前記燃料ガスを燃焼させる燃焼器（２０）を備え、
   前記第２供給手段は、前記燃焼器において生じた燃焼熱により前記酸化剤ガスを加熱することを特徴とする、請求項２又は３に記載の燃料電池装置。
5. 原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器（３０２）を備え、
   前記改質器は、前記燃焼器において生じた燃焼熱により加熱される位置に配置されており、
   前記第２供給手段（５１１）は、前記燃焼器と前記改質器との間となる位置に配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 前記第２供給手段からの前記酸化剤ガスの供給量が、前記改質器の温度に基づいて制御されることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池装置。
7. 前記第１供給手段からの前記酸化剤ガスの供給量が、前記燃料電池セルスタックの温度に基づいて制御されることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池装置。
8. 前記第２供給手段は、
   前記燃焼熱によって高温となった前記酸化剤ガスを通す流路であって、当該酸化剤ガスの熱が前記燃料電池セルスタックに伝達されるように配置された加熱流路（５２２ａ）を有していることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池装置。
9. 前記加熱流路は、前記燃料電池セルスタックの周囲に配置された螺旋状の流路であることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池装置。

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