JP2018067534A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃焼器の火炎が形成されている状態で、燃焼器の燃焼状態を従来よりも安定化させ得る燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供する。
【解決手段】アノードオフガスとカソードオフガスの燃焼排ガスを生成する燃焼器２と、原料の水蒸気改質により燃料電池１のアノードに供給するための水素含有ガスを生成する改質器４と、燃焼排ガス及び燃焼器のうちの少なくとも一方の温度を検知する第１温度検知器２１と、燃焼器の火炎が形成されている状態で、第１温度検知器の検知温度が、予め設定された第１閾値を下回ると、燃料電池のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作、燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作及び改質器に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作を行う制御器２０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本開示は燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。
燃料電池は、小型でも発電効率が高く、発電時に発生する熱を利用することで総合効率が高くできるので、分散型発電システムの発電部として用いられている。特に、固体酸化物を電解質として高温で作動する固体酸化物型の燃料電池（以下、ＳＯＦＣと略す場合がある）は、発電効率が高いことが知られている。
分散型の発電システムを機能させるには、発電時の燃料ガスを安定的に供給する必要がある。一般的に、燃料電池は、既存のインフラストラクチャーから供給されるメタンガスを主成分とする天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、灯油などを原料として、原料の改質反応により得られた水素含有ガスを燃料に用いて発電する。この改質反応（吸熱反応）は、５５０℃−７５０℃程度の温度範囲で進行させる必要があり、改質反応に必要な熱は、一般的に、ＳＯＦＣの発電で未使用の水素含有ガスを燃焼させることで賄われている。特に、ＳＯＦＣは、改質反応と同等の高温で動作され、ＳＯＦＣの発電で未使用の空気も発電時に発生する熱により高温になっている。よって、これらの熱エネルギーを発電に関わる反応にも有効利用し、発電効率の高い発電が行われる。
ここで、燃料電池システムの熱の有効活用のため、燃料電池スタック（燃料電池の単セルの集合体）、改質器および空気熱交換器を一体に収容する構成を取ることがある。例えば、燃料電池スタックを中心部に配置し、燃料電池スタックの上方に改質器を配置する構成が知られている。また、燃料電池スタックの上部において、燃料電池スタックでの発電反応に寄与しなかった水素含有ガス（アノードオフガス）および空気（カソードオフガス）を燃焼させる燃焼器を構成するとともに、その上方に燃焼検知器を設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、燃料電池で熱を有効利用するには、燃焼器の適切な燃焼状態を確保する必要があるので、特許文献２では、燃料電池システムの起動時における燃焼器の再着火時のガス流量制御が記載されている。例えば、燃焼器が吹き消えているか否かを判定する判定部が設けられ、この吹き消えの判定により、原料または空気の流量が制御されて、燃焼器を再着火する構成が提案されている。
特開２０１０−６７５４７号公報 特開２０１５−１８５２１３号公報
しかし、特許文献２では、上記のとおり、燃料電池システムの起動時における燃焼器の再着火時のガス流量制御が記載されているに過ぎず、燃焼器の火炎が形成されている状態で、燃焼器の燃焼状態が不安定に至る場合の問題については十分に検討されていない。
本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃焼器の火炎が形成されている状態で、燃焼器の燃焼状態を従来よりも安定化させ得る燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供する。
上記課題を解決するため、本開示の一態様の燃料電池システムは、カソードに供給される空気とアノードに供給される水素含有ガスとを燃料として発電する固体酸化物型の燃料電池と、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスと前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスとを燃焼させ、燃焼排ガスを生成する燃焼器と、原料の水蒸気改質により前記燃料電池のアノードに供給するための前記水素含有ガスを生成する改質器と、前記燃焼排ガスおよび前記燃焼器のうちの少なくとも一方の温度を検知する第１温度検知器と、前記燃焼器の火炎が形成されている状態で、前記第１温度検知器の検知温度が、予め設定された第１閾値を下回ると、前記燃料電池のカソードに供給される空気に対して前記カソードで消費される空気の割合を高くする動作、前記燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスに対して前記アノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作、および、前記改質器に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作を行う制御器と、を備える。
また、本開示の一態様の燃料電池システムの運転方法は、固体酸化物型の燃料電池において、前記燃料電池のカソードに供給される空気と前記燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスとを燃料として発電し、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスと前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスとが燃焼器で燃焼することで燃焼排ガスを生成し、改質器において、原料の水蒸気改質により前記燃料電池のアノードに供給するための前記水素含有ガスを生成し、温度検知器において、前記燃焼排ガスおよび前記燃焼器のうちの少なくとも一方の温度を検知し、前記燃焼器の火炎が形成されている状態で、前記温度検知器の検知温度が、予め設定された閾値を下回ると、前記燃料電池のカソードに供給される空気に対して前記カソードで消費される空気の割合を高くする動作、前記燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスに対して前記アノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作、および、前記改質器に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作が行われる。
本開示の一態様の燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法は、燃焼器の火炎が形成されている状態で、燃焼器の燃焼状態を従来よりも安定化させ得るという効果を奏する。
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図２は、第１実施形態の燃料電池システムの動作（運転）の一例を示すフローチャートである。 図３は、第１実施形態の第１実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図４は、第１実施形態の第２実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図５は、第１実施形態の第１変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図６は、第１実施形態の第２変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図７は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図８は、第２実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
燃料電池システムの運転中には、燃料電池の発電に寄与しなかったアノードオフガスおよびカソードオフガスが燃焼器で燃焼するので、燃焼器の燃焼状態が不安定となる可能性がある。例えば、高効率条件で燃料電池の発電を行うには、燃料電池のアノードでの水素消費割合を高める運転が必要であるが、このような燃料電池システムの高効率な運転を行うことで燃焼器では吹き消え領域に近い希薄燃焼となる場合がある。
ところで、このような燃料電池システムの運転中に、燃焼器が突然、失火すると、固体酸化物型の燃料電池の温度が急激に低下する。特に、固体酸化物型の燃料電池の電解質はセラミックで構成されているので、このような急激な温度変化で電解質に、ヒートクラックなどのダメージが起こる可能性がある。これは、燃料電池システムの劣化要因になり、燃料電池システムが劣化することで燃料電池の発電性能低下、高効率運転の障害にもつながる。
そこで、燃料電池システムの運転中の燃焼器の燃焼状態を検討した結果、燃焼器の正常燃焼領域から燃焼器の火炎の吹き消え領域に至るまでの燃焼継続領域で、燃焼排ガス中の一酸化炭素ガスの濃度が増加する不安定領域が存在することがわかった。そして、この不安定領域において、燃焼器の燃焼温度と燃焼排ガス中の一酸化炭素ガスの濃度との間で相関関係があることもわかった。
ここで、燃焼器の火炎の吹き消え領域に至るまでの燃焼継続領域において、燃焼器の燃焼状態が不安定となった場合に、起動時にならって予め想定した条件により燃料電池システムを停止させることもできる。しかし、燃焼器の火炎が形成されている状態で、燃料電池システムの停止動作を繰り返すと、上記のとおり、固体酸化物型の燃料電池の急激な温度変化により、燃料電池の電解質（セラミック）にダメージを与え、燃料電池システムの正常な発電動作が継続できない可能性がある。
すなわち、本開示の第１の態様の燃料電池システムは、以上の知見に基づいて案出できたものであり、カソードに供給される空気とアノードに供給される水素含有ガスとを燃料として発電する固体酸化物型の燃料電池と、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスと燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスとを燃焼させ、燃焼排ガスを生成する燃焼器と、原料の水蒸気改質により燃料電池のアノードに供給するための水素含有ガスを生成する改質器と、燃焼排ガスおよび燃焼器のうちの少なくとも一方の温度を検知する第１温度検知器と、燃焼器の火炎が形成されている状態で、第１温度検知器の検知温度が、予め設定された第１閾値を下回ると、燃料電池のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作、燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作、および、改質器に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作を行う制御器と、を備える。
また、本開示の第１の態様の燃料電池システムの運転方法は、固体酸化物型の燃料電池において、燃料電池のカソードに供給される空気と燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスとを燃料として発電し、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスと燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスとが燃焼器で燃焼することで燃焼排ガスを生成し、改質器において、原料の水蒸気改質により燃料電池のアノードに供給するための水素含有ガスを生成し、温度検知器において、燃焼排ガスおよび燃焼器のうちの少なくとも一方の温度を検知し、燃焼器の火炎が形成されている状態で、温度検知器の検知温度が、予め設定された閾値を下回ると、燃料電池のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作、燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作、および、改質器に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作が行われる。
以上により、本態様の燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法は、燃焼器の火炎が形成されている状態で、燃焼器の燃焼状態を従来よりも安定化させ得る。これにより、燃焼器の燃焼を継続させながら、燃焼器の燃焼状態を改善できるので、燃料電池の急激な温度変化により燃料電池の電解質（セラミック）に与えられるダメージが従来よりも抑制される。よって、燃料電池システムの耐久性を向上できる。
つまり、燃焼器の火炎が吹き消える領域（希薄燃焼）では、この吹き消え領域に近づく程、燃焼状態が不安定になり、燃焼器の燃焼温度が低下する。よって、燃焼器の健全な燃焼状態を維持し得る燃焼器の燃焼温度が第１閾値として予め設定されている。そして、燃焼器の火炎が形成されている状態で、第１温度検知器の検知温度が第１閾値を下回ると、上記の少なくともいずれか１つの動作が行われる。
具体的には、燃焼器は、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスと燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスとを燃焼するので、燃焼器に送られるアノードオフガス量と比較してカソードオフガス（空気）量が多くなる場合がある。この場合、燃焼器の燃焼状態が不安定な希薄燃焼になる可能性がある。
そこで、本態様の燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法では、燃料電池のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作を行い、燃焼器に送られるカソードオフガス量を低減させることができる。すると、アノードオフガス量と比較してカソードオフガス量が少なくなるので、燃焼器の燃焼状態が不安定な希薄燃焼が緩和されて、燃焼器の燃焼温度が上がる。よって、燃焼器の燃焼を継続させながら、燃焼器の燃焼状態を改善することができる。
また、燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作を行い、燃焼器に送られるアノードオフガス量を増加させることができる。すると、カソードオフガス量に比較してアノードオフガス量が多くなるので、燃焼器の燃焼状態が不安定な希薄燃焼が緩和されて、燃焼器の燃焼温度が上がる。よって、燃焼器の燃焼を継続させながら、燃焼器の燃焼状態を改善することができる。
また、改質器に供給される水の量を少なくする動作を行い、改質器から燃料電池のアノードに送られる水素含有ガス（水素ガス）中の水蒸気量を低減させることができる。すると、改質器の水の蒸発に必要な燃焼排ガスの熱量を少なくし得るので、空気熱交換器の空気と燃焼排ガスとの熱交換量が増加する。これにより、空気熱交換器から燃料電池への空気の温度を高めて、燃料電池の温度およびカソードオフガスの温度を上げることができる。よって、燃焼器の燃焼温度の上昇により燃焼反応の維持が容易となるので、燃焼器の燃焼を継続させながら、燃焼器の燃焼状態を改善することができる。さらに、改質器から燃料電池のアノードに送られる水素含有ガス（水素ガス）中の水蒸気量を低減させると、アノードオフガス中の水素ガスの割合を増やすことができる。すると、燃焼器の燃焼状態が不安定な希薄燃焼が緩和されて、燃焼器の燃焼温度が上がる。よって、燃焼器の燃焼を継続させながら、燃焼器の燃焼状態を改善することができる。
本開示の第２の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、燃料電池のカソードに空気を供給する空気供給器を備え、制御器は、燃料電池のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作として、燃料電池のカソードに供給する空気の流量が減少するように空気供給器を制御してもよい。
かかる構成によると、空気供給器の操作量を調整することで、上記の動作が適切に行われる。
また、本開示の第３の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、改質器に原料を供給する原料供給器を備え、制御器は、燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費させる水素含有ガスの割合を低くする動作として、改質器に供給する原料の流量が増加するように原料供給器を制御してもよい。
かかる構成によると、原料供給器の操作量を調整することで、上記の動作が適切に行われる。
また、本開示の第４の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、制御器は、燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費させる水素含有ガスの割合を低くする動作として、燃料電池の発電量が下がるように燃料電池システムを制御してもよい。
かかる構成によると、燃料電池システムの操作量を調整することで、上記の動作が適切に行われる。
また、本開示の第５の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、改質器に水を供給する水供給器を備え、制御器は、改質器に供給される水の流量が減少するように水供給器を制御してもよい。
かかる構成によると、水供給器の操作量を調整することで、水の流量の減少が適切に行われる。
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２実施例、第１実施形態の第１変形例−第２変形例および第２実施形態について説明する。
以下で説明する第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２実施例、第１実施形態の第１変形例−第２変形例および第２実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、動作のステップおよびステップの順序などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、本態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。また、動作においては、必要に応じて、各ステップの順序などを変更できる。また、必要に応じて、他の公知のステップを追加できる。
（第１実施形態）
[装置構成]
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図１に示すように、燃料電池システム１００は、固体酸化物型の燃料電池１（以下、ＳＯＦＣ１）と、燃焼器２と、改質器４と、空気熱交換器７と、原料供給器１０と、水供給器１１と、空気供給器１２と、水素含有ガス供給経路１３と、空気供給経路１４と、アノードオフガス排出経路１５と、カソードオフガス排出経路１６と、火炎ガイド１８と、制御器２０と、第１温度検知器２１と、を備える。
なお、図１において、便宜上、燃料電池システム１００の「上」および「下」を同図に示す如く取っており、重力は、「上」から「下」に作用するものとする。
改質器４は、原料の水蒸気改質によりＳＯＦＣ１のアノードに供給するための水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器４は、円筒内壁４Ａと、円筒外壁４Ｂと、円筒内壁４Ａと円筒外壁４Ｂとの間に設けられた改質触媒４Ｃとを備え、改質触媒４Ｃに原料および水が供給されることで、原料の水蒸気改質反応が進行し、水素含有の改質ガスが生成される。なお、改質器４の容器は、円筒内壁４Ａと円筒外壁４Ｂとで構成する２重円筒形状になっている。これにより、高温状態の改質器４の熱応力への耐性が、例えば、改質器４の容器を矩形筒形状で構成する場合に比べ適切に確保できる。
改質器４の改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応などを挙げることができる。なお、改質触媒４Ｃには、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈなどの貴金属系触媒およびＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種を用いることができる。本実施形態の燃料電池システム１００では、改質器４の改質反応として、原料の水蒸気改質反応を用い、改質器４の改質触媒４Ｃとして、Ｒｕを含む触媒を用いている。
原料供給器１０は、改質器４に原料を供給する。原料供給器１０は、改質器４に原料を供給できれば、どのような構成であってもよい。原料供給器１０は、改質器４に送る原料流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器および流量調整弁で構成されてもよいし、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、定容積型ポンプを用いることができるが、これに限定されない。原料は、原料供給源より供給される。原料供給源は、所定の供給圧を有しており、例えば、原料ボンベ、原料インフラなどを例示できる。なお、原料は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ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炭化水素燃料である。
水供給器１１は、改質器４に水を供給する。水供給器１１は、改質器４に水を供給できれば、どのような構成であってもよい。水供給器１１は、改質器４に送る水流量を調整するための機器であり、例えば、昇圧器および流量調整弁で構成されてもよいし、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、定容積型ポンプを用いることができるが、これに限定されない。
図１に示すように、改質器４は、改質触媒４Ｃの上方に、円筒内壁４Ａおよび円筒外壁４Ｂによって形成される水蒸発部４Ｄを備える。つまり、改質器４の容器内の下方部分には、改質触媒４Ｃが充填されており、上方部分には水蒸発部４Ｄが形成されている。これにより、改質器４が水蒸発部を備えない場合に比べ、改質触媒４Ｃへ供給する水蒸気を生成するための水蒸発部４Ｄを簡易に構成できる。そして、原料供給器１０からの原料および水供給器１１からの水が水蒸発部４Ｄに送られて、原料および水蒸気が水蒸発部４Ｄで混合された後、混合ガスが改質触媒４Ｃへ供給される。
なお、水蒸発部４Ｄは、水蒸発部４Ｄ内を流れる水を途中で一時的に溜める水受け部（図示せず）を備えてもよいし、螺旋流路を形成する流路部材（図示せず）を備えてもよい。かかる水受け部または流路部材により、水蒸発部４Ｄ内の水を重力が作用する方向に落下させる場合でも、水蒸発部４Ｄの途中で水を適切に蒸発させることができる。
図１には示されていないが、改質反応において必要となる機器を適宜設けられる。例えば、改質反応がオートサーマル反応であれば、燃料電池システム１００には、さらに、改質器４に改質反応用の空気を供給する供給器などが設けられる。
空気供給器１２は、ＳＯＦＣ１のカソードに空気を供給する。空気供給器１２は、ＳＯＦＣ１のカソードに空気を供給できれば、どのような構成であってもよい。空気供給器１２は、ＳＯＦＣ１のカソードに送る空気流量を調整するための機器であり、例えば、ブロア、シロッコファンなどで構成されてもよい。
図１に示すように、空気供給器１２は、空気熱交換器７に接続している。空気熱交換器７は、筒状内壁７Ａと、筒状外壁７Ｂと、筒状内壁７Ａと筒状外壁７Ｂとの間に設けられた空気経路７Ｃとを備え、改質器４を囲み、かつ改質器４と同軸状に配置されている。つまり、空気熱交換器７の容器は、筒状内壁７Ａと筒状外壁７Ｂとで構成する２重筒形状に構成され、この容器の内部が、空気熱交換器７の受熱流体に用いる空気の通過経路となっている。空気熱交換器７で加熱された空気は、ＳＯＦＣ１のカソードに送られ、ＳＯＦＣ１の発電に利用される。なお、空気熱交換器７の加熱流体に用いる燃焼排ガスの経路については後述する。
空気熱交換器７の筒状内壁７Ａおよび筒状外壁７Ｂの外形は、円筒形状であってもよいし、矩形筒形状であってもよい。筒状内壁７Ａおよび筒状外壁７Ｂを円筒形状で構成する場合、矩形筒形状で構成する場合に比べ熱応力への耐性に優れるという利点がある。筒状内壁７Ａおよび筒状外壁７Ｂを矩形筒形状で構成する場合、円筒形状で構成する場合に比べ空気熱交換器７を断熱材で覆いやすくなるという利点がある。
ＳＯＦＣ１は、カソードに供給される空気とアノードに供給される水素含有ガスとを燃料として発電する。具体的には、ＳＯＦＣ１は、改質器４で生成された水素含有ガスおよび空気熱交換器７を通過した空気を用いて発電する。ＳＯＦＣ１は、図示しない燃料電池スタックを備える。燃料電池スタックは、例えば、平板型セルおよびインターコネクタなどの部材を積層した平板状に形状されている。なお、燃料電池スタックは、平板型形状に限定されるものではない。
また、図１に示すように、改質器４からＳＯＦＣ１への水素含有ガスの供給に用いる水素含有ガス供給経路１３と、空気熱交換器７からＳＯＦＣ１への空気供給に用いる空気供給経路１４と、ＳＯＦＣ１の発電に使用しなかった水素含有ガス（アノードオフガス）の燃焼器２への排出に用いるアノードオフガス排出経路１５と、ＳＯＦＣ１の発電に使用しなかった空気（カソードオフガス）の燃焼器２への排出に用いるカソードオフガス排出経路１６とが、ＳＯＦＣ１の適所に接続されている。
燃焼器２は、ＳＯＦＣ１のアノードから排出されるアノードオフガスとＳＯＦＣ１のカソードから排出されるカソードオフガスとを燃焼させ、燃焼排ガスを生成する。
図１に示すように、ＳＯＦＣ１から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスがそれぞれ、アノードオフガス排出経路１５およびカソードオフガス排出経路１６のそれぞれを介して燃焼器２に送られ、これらのガスが燃焼器２で燃焼される。これにより、燃焼器２の燃焼空間８には、高温の燃焼排ガスが発生する。
本実施形態の燃料電池システム１００では、燃焼器２は、ＳＯＦＣ１の外部に設けられており、ＳＯＦＣ１から延伸するアノードオフガス排出経路１５およびカソードオフガス排出経路１６がそれぞれ、燃焼器２の適所に接続されている。また、燃焼器２には、図示しない炎口部が形成され、円筒状の火炎ガイド１８が、改質器４および空気熱交換器７などを収容する本体容器の下壁部（例えば、燃焼器２の炎口部が形成されている壁部）に当接し、ここから鉛直に燃焼空間８の周囲へ向かうように立設している。
ここで、図１に示すように、ＳＯＦＣ１は、改質器４の中心軸に沿って、改質器４および燃焼器２のいずれとも離隔した位置に設けられている。また、改質器４は、改質器４の中心軸に沿って、燃焼器２と離隔した位置に設けられている。そして、改質器４の円筒内壁４Ａは、燃焼器２により形成される火炎の燃焼空間８の周囲に配置されている。つまり、改質器４（燃焼空間８）、燃焼器２およびＳＯＦＣ１がそれぞれ、重力が作用する上方から下方へとこの順に、適宜の離隔距離を設けて配置されている。また、燃焼器２の燃焼排ガス経路９は、火炎ガイド１８と改質器４の円筒内壁４Ａとの間の空間、改質器４の下方端と本体容器の下壁部との間の空間と、改質器４の円筒外壁４Ｂと空気熱交換器７の筒状内壁７Ａとの間の空間とによって形成されている。つまり、燃焼排ガスは、図１の矢印点線で図示するように、火炎ガイド１８および改質器４に沿って下方に導かれ、その後、改質器４の下方端直下の空間を通過した後に、改質器４および空気熱交換器７に沿って上方に向かうように導かれる。
第１温度検知器２１は、燃焼排ガスおよび燃焼器２のうちの少なくとも一方の温度（以下、これらの温度を、便宜上、燃焼器２の燃焼温度という場合がある）を検知する。第１温度検知器２１は、燃焼器２の燃焼温度を検知できれば、どのような構成であってもよい。
例えば、燃焼器２の近傍であれば、第１温度検知器２１を火炎ガイド１８の上方空間の適所に設けることができる。
また、第１温度検知器２１を、燃焼器２の火炎が直接当たる箇所に設けることもできる。つまり、第１温度検知器２１により、燃焼器２で形成される火炎の温度を検知する構成を取ってもよい。
また、火炎ガイド１８の外側の燃焼排ガス経路９上に第１温度検知器２１を設けてもよいし、燃焼排ガスの温度を相関する所定の箇所（例えば、燃焼排ガス経路９を形成する円筒内壁４Ａの外面など）に第１温度検知器２１を設けてもよい。つまり、第１温度検知器２１により、火炎ガイド１８から出た直後の高温の燃焼排ガスの温度を検知する構成を取ってもよい。
なお、本実施形態の燃料電池システム１００では、火炎ガイド１８の外面近傍の燃焼排ガス経路９上に、第１温度検知器２１が配置されている。第１温度検知器２１として、例えば、熱電対、サーミスタなどを例示できる。
燃焼器２には、イグナイター、ヒーターなどの着火器が設けられているが、これは、一般的な燃料電池システムの燃焼器の構成と同様であるので、詳細な説明および図示は省略する。
制御器２０は、燃焼器２の火炎が形成されている状態で、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、予め設定された第１閾値Ｓ１を下回ると、ＳＯＦＣ１のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作、および、改質器４に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作を行う。
具体的には、制御器２０は、ＳＯＦＣ１のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作として、ＳＯＦＣ１のカソードに供給する空気の流量が減少するように空気供給器１２を制御してもよい。
また、制御器２０は、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費させる水素含有ガスの割合を低くする動作として、改質器４に供給する原料の流量が増加するように原料供給器１０を制御してもよい。
また、制御器２０は、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費させる水素含有ガスの割合を低くする動作として、ＳＯＦＣ１の発電量が下がるように燃料電池システム１００を制御してもよい。
また、制御器２０は、改質器４に供給される水の流量が減少するように水供給器１１を制御してもよい。
制御器２０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構わない。制御器２０は、例えば、演算回路（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを例示できる。記憶回路として、例えば、メモリなどを例示できる。制御器２０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。また、制御器２０は、燃料電池システム１００の運転を制御するように構成されていてもよい。この場合、制御器２０により、例えば、燃料電池システム１００の温度、ＳＯＦＣ１の発電量などの情報をもとに、空気供給器１２、原料供給器１０、水供給器１１および図示しない着火器などの動作が制御される。すると、制御器２０により、空気の流量、原料の流量および水の流量が調整されることで、燃料電池システム１００の運転が適切に行われる。
［動作］
以下、本実施形態の燃料電池システム１００の動作の一例について図面を参照しながら説明する。
なお、以下に示す動作は、例えば、制御器２０の演算回路が記憶回路から制御プログラムを読み出すことで行われる。ただし、以下の動作を制御器２０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部または全部の動作を行っても構わない。
まず、本実施形態の燃料電池システム１００では、原料の水蒸気改質反応が行われるので、改質水が、水供給器１１から水蒸発部４Ｄへと供給される。水蒸発部４Ｄにおいては、水蒸気が生成され、原料供給器１０からの原料と水蒸気とが水蒸発部４Ｄで混合される。このとき、原料は水蒸発部４Ｄで加熱される。混合ガスは、改質触媒４Ｃが配された空間へと送られる。すると、改質触媒４Ｃにおいて、原料の水蒸気改質反応が進行し、水素含有ガス（改質ガス）が生成される。水素含有ガスは、水素含有ガス供給経路１３を通じて、ＳＯＦＣ１へと供給される。
一方、空気供給器１２からの空気が、空気熱交換器７へと送られ、空気熱交換器７において、空気は、燃焼排ガス経路９を流れる燃焼排ガスとの熱交換により加熱される。そして、空気は、空気供給経路１４を通じて、ＳＯＦＣ１へと供給される。
ＳＯＦＣ１では、水素含有ガスおよび空気を燃料に用いて発電が行われる。ＳＯＦＣ１の発電に使用されなかった水素含有ガス（アノードオフガス）およびＳＯＦＣ１の発電に使用されなかった空気（カソードオフガス）はそれぞれ、アノードオフガス排出経路１５およびカソードオフガス排出経路１６のそれぞれを通じて、燃焼器２へと送られる。
燃焼器２では、アノードオフガスおよびカソードオフガスが燃焼し、燃焼空間８に向かう火炎が形成される。
このとき、燃焼器２で発生した高温の燃焼排ガスは、図１の矢印点線で示すように、火炎ガイドの１８の上方開口を通って排出され、火炎ガイド１８と改質器４の円筒内壁４Ａとの空間を通過する。これにより、改質器４の改質触媒４Ｃは燃焼排ガスの熱や火炎ガイド１８からの輻射熱で適切に加熱される。また、高温の燃焼排ガスで水素含有ガスの流れ方向の下流側の改質器４を加熱するので、改質触媒４Ｃのガス出口付近を高温にすることもできる。よって、改質反応（吸熱反応）が効果的に進行し、水素を豊富に含む水素含有ガスを生成できる。
次いで、燃焼排ガスは、改質器４の下方端と本体容器の下壁部との間の空間を経て、改質器４の円筒外壁４Ｂの下方部分（改質触媒４Ｃが設けられている部分）と空気熱交換器７の筒状内壁７Ａとの間の空間を通過する。これにより、燃焼排ガスの熱で改質器４の改質触媒４Ｃを適切に加熱できる。また、燃焼排ガスの熱で空気熱交換器７の下流側の空気を適切に加熱（予熱）できる。このとき、空気熱交換器７内の空気および改質器４内の混合ガスの流れと、燃焼排ガスの流れとが対向しているので、両流体の流れが並行する場合および直交する場合に比べ熱交換の性能が高い。よって、これらの空気および混合ガスを効率的に加熱できる。
次いで、燃焼排ガスは、改質器４の円筒外壁４Ｂの上方部分（水蒸発部４Ｄが設けられている部分）と空気熱交換器７の筒状内壁７Ａとの間の空間を通過する。つまり、燃焼排ガスは、水蒸発部４Ｄの周囲を通過する。これにより、水蒸発部４Ｄを燃焼排ガスの熱で適切に加熱できる。また、空気熱交換器７の上流側の空気を燃焼排ガスの熱により適切に加熱（予熱）できる。
特に、水蒸発部４Ｄおよび空気熱交換器７の入口付近は比較的低温である。よって、これらを流れるガスと、円筒外壁４Ｂの下方部分を通過した燃焼排ガスとが熱交換するので、燃焼排ガスが保有する熱を有効に利用できる。具体的には、改質器４のガス出口付近、空気熱交換器７のガス出口付近および水蒸発部４Ｄのそれぞれの適温は、この順に低くなるので、上記の如く、燃焼排ガスを流すことで、燃焼排ガスの熱がカスケード的に利用される。その結果、原料の投入エネルギーに対して高効率な発電エネルギーが得られる燃料電池システム１００を構築できる。
なお、水蒸発部４Ｄの周囲を通過した燃焼排ガスは、図示しない燃焼排ガス排出経路を通じて燃料電池システム１００外へと排出される。
ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃焼器２の火炎が形成されている状態で、以下の動作が行われる。
図２は、第１実施形態の燃料電池システムの動作（運転）の一例を示すフローチャートである。
まず、燃焼器２の火炎が形成されている状態で、燃焼器２の燃焼温度が第１温度検知器２１で検知され、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、予め設定された第１閾値Ｓ１を下回るか否かが判定される（ステップＳ１）。なお、燃焼器２の燃焼状態が不安定領域において、燃焼器２の燃焼温度と燃焼排ガス中の一酸化炭素ガスの濃度との間で相関関係があることがわかっている。そこで、燃焼器２の燃焼状態（例えば、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度）と第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１との相関関係を予め把握（測定）することで、燃焼器２が健全な燃焼状態（例えば、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度が所定値以上とならない状態）に維持される燃焼温度を予測できる。よって、ステップＳ１では、燃焼排ガス中に所定濃度の一酸化炭素が生じると予測される燃焼器２の燃焼温度が第１閾値Ｓ１として設定されている。そして、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１との比較および判定に、この第１閾値Ｓ１が使用されている。例えば、燃焼排ガス中の一酸化炭素の濃度が増え始めると予測される燃焼器２の燃焼温度が第１閾値Ｓ１であってもよいが、これに限定されない。
ステップＳ１の第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第１閾値Ｓ１以上である場合、燃料電池システム１００の動作がそのまま継続し、適時に、ステップＳ１の動作が再び行われる。
ステップＳ１の第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第１閾値Ｓ１を下回る場合、ステップＳ２で、ＳＯＦＣ１のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作、および、改質器４に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作が行われる。
具体的には、ＳＯＦＣ１のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作の一例として、ＳＯＦＣ１のカソードに供給する空気の流量が減少するように空気供給器１２が制御されてもよい。
また、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費させる水素含有ガスの割合を低くする動作の一例として、改質器４に供給する原料の流量が増加するように原料供給器１０が制御されてもよい。また、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費させる水素含有ガスの割合を低くする動作の他の例として、ＳＯＦＣ１の発電量が下がるように燃料電池システム１００が制御されてもよい。
また、改質器４に供給される水の量を少なくする動作の一例として、改質器４に供給される水の流量が減少するように水供給器１１が制御されてもよい。
以上により、本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法は、燃焼器２の火炎が形成されている状態で、燃焼器２の燃焼状態を従来よりも安定化させ得る。これにより、燃焼器２の燃焼を継続させながら、燃焼器２の燃焼状態を改善できるので、ＳＯＦＣ１の急激な温度変化によりＳＯＦＣ１の電解質（セラミック）に与えられるダメージが従来よりも抑制される。よって、燃料電池システム１００の耐久性を向上できる。
つまり、燃焼器２の火炎が吹き消える領域（希薄燃焼）では、この吹き消え領域に近づく程、燃焼器２の燃焼状態が不安定になり、燃焼器２の燃焼温度が低下する。よって、燃焼器２の健全な燃焼状態を維持し得る燃焼器２の燃焼温度が第１閾値Ｓ１として予め設定されている。そして、燃焼器２の火炎が形成されている状態で、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が第１閾値Ｓ１を下回ると、上記の少なくともいずれか１つの動作が行われる。
具体的には、燃焼器２は、ＳＯＦＣ１のアノードから排出されるアノードオフガスとＳＯＦＣ１のカソードから排出されるカソードオフガスとを燃焼するので、燃焼器２に送られるアノードオフガス量と比較してカソードオフガス（空気）量が多くなる場合がある。この場合、燃焼器２の燃焼状態が不安定な希薄燃焼になる可能性がある。
そこで、本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法では、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第１閾値Ｓ１を下回ると、ＳＯＦＣ１のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作を行い、燃焼器２に送られるカソードオフガス量を低減させることができる。すると、アノードオフガス量と比較してカソードオフガス量が少なくなるので、燃焼器２の燃焼状態が不安定な希薄燃焼が緩和されて、燃焼器２の燃焼温度が上がる。よって、燃焼器２の燃焼を継続させながら、燃焼器２の燃焼状態を改善することができる。
また、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作を行い、燃焼器２に送られるアノードオフガス量を増加させることができる。すると、カソードオフガス量に比較してアノードオフガス量が多くなるので、燃焼器２の燃焼状態が不安定な希薄燃焼が緩和されて、燃焼器２の燃焼温度が上がる。よって、燃焼器２の燃焼を継続させながら、燃焼器２の燃焼状態を改善することができる。
また、改質器４に供給される水の量を少なくする動作を行い、改質器４からＳＯＦＣ１のアノードに送られる水素含有ガス（水素ガス）中の水蒸気量を低減させることができる。すると、改質器４の水の蒸発に必要な燃焼排ガスの熱量を少なくし得るので、空気熱交換器７の空気と燃焼排ガスとの熱交換量が増加する。これにより、空気熱交換器７からＳＯＦＣ１への空気の温度を高めて、ＳＯＦＣ１の温度およびカソードオフガスの温度を上げることができる。よって、燃焼器２の燃焼温度の上昇により燃焼反応の維持が容易となるので、燃焼器２の燃焼を継続させながら、燃焼器２の燃焼状態を改善することができる。さらに、改質器からＳＯＦＣ１のアノードに送られる水素含有ガス（水素ガス）中の水蒸気量を低減させると、アノードオフガス中の水素ガスの割合を増やすことができる。すると、燃焼器２の燃焼状態が不安定な希薄燃焼が緩和されて、燃焼器２の燃焼温度が上がる。よって、燃焼器２の燃焼を継続させながら、燃焼器２の燃焼状態を改善することができる。
このようにして、本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法は、燃焼器２の燃焼温度が第１温度検知器２１で検知され、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１と第１閾値Ｓ１との比較により、燃焼器２の燃焼温度の低下を抑制する動作が行われる。
（第１実施例）
図３は、第１実施形態の第１実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
本実施例の燃料電池システム１００は、第１実施形態の燃料電池システム１００において、制御器２０は、ＳＯＦＣ１の発電継続中において、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が第１閾値Ｓ１を下回ると、ＳＯＦＣ１のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作、および、改質器４に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作を行う。なお、図３のステップＳ２の動作に関する制御器２０の制御対象の具体例は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、図３のステップＳ１およびステップＳ２は、図２のステップＳ１およびステップＳ２と同様であるので詳細な説明を省略する。
本実施例の燃料電池システム１００では、ＳＯＦＣ１の発電継続中において、ステップＳ１で、燃焼器２の燃焼温度が第１温度検知器２１で検知されるとともに、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１と第１閾値Ｓ１との比較および判定が行われる。そして、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第１閾値Ｓ１を下回る場合、ステップＳ２で、燃焼器２の燃焼温度の低下を抑制する動作が行われる。
これにより、ＳＯＦＣ１の発電継続中において、燃焼器２の燃焼状態が安定するので、ＳＯＦＣ１の耐久性を考慮した燃料電池システム１００の発電運転を行うことができる。具体的には、仮に燃焼器２が失火した場合、ＳＯＦＣ１のアノードに水素含有ガスを供給することも、ＳＯＦＣ１のカソードに送る空気を加熱することもできない。この場合、ＳＯＦＣ１の発電継続が不可能となる。すると、燃料電池システム１００の発電状態では、ＳＯＦＣ１内の燃料電池スタックは高温状態であるので、燃料電池スタックが急に冷えて、燃料電池スタックの熱ひずみが発生しやすい。
特に、ＳＯＦＣ１の電解質（セラミック）は熱ひずみが弱く、燃焼器２の失火が繰り返されると、本電解質にダメージが与えられ、燃料電池システム１００の正常な発電動作が維持できなくなる可能性があるが、本実施例の燃料電池システム１００では、上記の少なくともいずれか１つの動作を行うことにより、燃焼器２の燃焼状態を安定化させ得るので、このような可能性を低減できる。また、燃焼器２が失火に至る過程において燃焼排ガス中の一酸化炭素が増加する可能性があるが、本実施例の燃料電池システム１００では、上記の少なくともいずれか１つの動作を行うことにより、このような可能性も低減できる。
本実施例の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法と同様であってもよい。
（第２実施例）
図４は、第１実施形態の第２実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
本実施例の燃料電池システム１００は、第１実施形態または第１実施形態の第１実施例の燃料電池システム１００において、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの水素消費割合が、予め設定された水素消費割合よりも高い場合において、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が第１閾値Ｓ１を下回ると、ＳＯＦＣ１のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作、および、改質器４に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作を行う。なお、図４のステップＳ２の動作に関する制御器２０の制御対象の具体例は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、図４のステップＳ１およびステップＳ２は、図２のステップＳ１およびステップＳ２と同様であるので詳細な説明を省略する。
ここで、ＳＯＦＣ１のアノードの水素ガス利用量を多くすることで、燃料電池システム１００を高効率に運転することができる。具体的には、ＳＯＦＣ１の燃料利用率Ｕｆ（ＳＯＦＣ１に供給した水素ガス量を１として、ＳＯＦＣ１の発電に利用した水素ガス量の比率）が、予め設定された水素消費割合よりも高くなると、燃料電池システム１００を一時的に高効率に運転することができる。しかし、ＳＯＦＣ１の燃料利用率Ｕｆを高くする場合、燃焼器２に送られるアノードオフガス量が必然的に少なくなる。すると、燃焼器２では、アノードオフガス量と比較してカソードオフガス量が多い希薄燃焼に陥り易い。つまり、燃焼器２の燃焼時の空気比の増加に伴って、燃焼器２で形成された火炎が燃焼器２で正常に維持できない吹き消え領域に近づく。
そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、このような燃料電池システム１００を高効率に運転する場合に（ステップＳ３）、ステップＳ１に進み、ステップＳ１で、燃焼器２の燃焼温度が第１温度検知器２１で検知されるとともに、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１と第１閾値Ｓ１との比較および判定が行われる。そして、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第１閾値Ｓ１を下回る場合、ステップＳ２で、燃焼器２の燃焼温度の低下を抑制する動作が行われる。
以上により、燃焼器２が希薄燃焼に陥り易い燃料電池システム１００の高効率運転を行う場合であっても、上記の少なくともいずれか１つの動作を行うことにより燃焼器２の燃焼状態を安定化させ得る。よって、燃焼器２の燃焼温度の低下により燃焼器２の燃焼状態が悪化することで、燃焼反応の適切な維持が困難となる可能性を低減できる。
本実施例の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の第１実施例の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法と同様であってもよい。
（第１変形例）
図５は、第１実施形態の第１変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
本変形例の燃料電池システム１００は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第２実施例のいずれかの燃料電池システム１００において、制御器２０は、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が第１閾値Ｓ１を下回ると、ＳＯＦＣ１のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作、および、改質器４に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作を行った後、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第１閾値Ｓ１よりも低い温度に予め設定された第２閾値Ｓ２を下回ると、燃料電池システム１００の運転を停止させる。
なお、図５のステップＳ２の動作に関する制御器２０の制御対象の具体例は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、図５のステップＳ１およびステップＳ２は、図２のステップＳ１およびステップＳ２と同様であるので詳細な説明を省略する。
本変形例の燃料電池システム１００では、ステップＳ２で、燃焼器２の燃焼温度の低下を抑制する動作を行った後、燃焼器２の火炎が形成されている状態で、燃焼器２の燃焼温度が第１温度検知器２１で検知され、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、予め設定された第２閾値Ｓ２を下回るか否かが判定される（ステップＳ４）。上記のとおり、燃焼器２の燃焼状態（例えば、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度）と第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１との相関関係を予め把握（測定）することで、燃焼器２が健全な燃焼状態（例えば、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度が所定値以上とならない状態）に維持される燃焼温度を予測できる。よって、ステップＳ４では、第１閾値Ｓ１よりも低い温度であって、燃焼器２の燃焼状態が、ステップＳ１の場合に比べて悪化することで、燃焼排ガス中の一酸化炭素が所定濃度まで急増すると予測される燃焼器２の燃焼温度が第２閾値Ｓ２として設定されている。そして、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１との比較および判定に、この第２閾値Ｓ２が使用されている。例えば、燃焼排ガス中の一酸化炭素が燃焼器２の停止を要する程、高濃度と予測される燃焼器２の燃焼温度が第２閾値Ｓ２であってもよいが、これに限定されない。
第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第２閾値Ｓ２以上である場合、燃料電池システム１００の動作がそのまま継続し、適時に、ステップＳ１の動作が再び行われる。
第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第２閾値Ｓ２を下回る場合、燃料電池システム１００の運転が停止する（ステップＳ５）。
以上により、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第２閾値Ｓ２を下回る場合に、燃料電池システム１００の停止動作を適切に行い得る。
具体的には、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が第２閾値Ｓ２を下回る場合、燃焼器２が失火する可能性がある。仮に燃焼器２が突然、失火すると、ＳＯＦＣ１の燃料電池スタックの急激な温度変化などが発生する可能性があるが、本変形例の燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の停止動作を所定の停止シーケンスに従って適切に行うことができるので、このような可能性を低減できる。
また、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第２閾値Ｓ２を下回る場合、原料供給器１０、水供給器１１または空気供給器１２などに何等かの異常が生じている場合がある。よって、この状態まま燃料電池システム１００の動作を継続すると、燃料電池システム１００の故障につながる可能性があるが、本変形例の燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の停止動作を所定の停止シーケンスに従って適切に行うことができるので、このような可能性を低減できる。
本変形例の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第２実施例のいずれかの燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法と同様であってもよい。例えば、第２実施例の如く、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの水素消費割合が、予め設定された水素消費割合よりも高い場合において、本変形例の燃料電池システム１００の動作を行ってもよい。
（第２変形例）
図６は、第１実施形態の第２変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
本変形例の燃料電池システム１００は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第２実施例のいずれかの燃料電池システム１００において、制御器２０は、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が第１閾値Ｓ１を下回ると、ＳＯＦＣ１のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作、および、改質器４に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作を行った後、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第１閾値Ｓ１よりも低い温度であって燃焼器２の火炎が失火する直前の温度に予め設定された第３閾値Ｓ３を下回ると、燃料電池システム１００の運転を停止させる。
なお、図６のステップＳ２の動作に関する制御器２０の制御対象の具体例は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、図６のステップＳ１およびステップＳ２は、図２のステップＳ１およびステップＳ２と同様であるので詳細な説明を省略する。
本変形例の燃料電池システム１００では、ステップＳ２で、燃焼器２の燃焼温度の低下を抑制する動作を行った後、燃焼器２の火炎が形成されている状態で、燃焼器２の燃焼温度が第１温度検知器２１で検知され、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、予め設定された第３閾値Ｓ３を下回るか否かが判定される（ステップＳ６）。ステップＳ６では、第１閾値Ｓ１よりも低い温度であって、燃焼器２の燃焼状態がステップＳ１の場合に比べて悪化することで、燃焼器２の火炎が失火する直前の温度が第３閾値Ｓ３として設定されている。そして、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１との比較および判定に、この第３閾値Ｓ３が使用されている。
第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第３閾値Ｓ３以上である場合、燃料電池システム１００の動作がそのまま継続し、適時に、ステップＳ１の動作が再び行われる。
第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第３閾値Ｓ３を下回る場合、燃料電池システム１００の運転が停止する（ステップＳ５）。
以上により、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第３閾値Ｓ３を下回る場合に、燃料電池システム１００の停止動作を適切に行い得る。
具体的には、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が第３閾値Ｓ３を下回ると、その直後に、燃焼器２が失火する。仮に燃焼器２が突然、失火すると、ＳＯＦＣ１の燃料電池スタックの急激な温度変化などが発生する可能性があるが、本変形例の燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の停止を所定の停止シーケンスに従って適切に行うことができるので、このような可能性を低減できる。
また、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、第３閾値Ｓ３を下回る場合、原料供給器１０、水供給器１１または空気供給器１２などに何等かの異常が生じている場合がある。よって、この状態まま燃料電池システム１００の動作を継続すると、燃料電池システム１００の故障につながる可能性があるが、本変形例の燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の停止動作を所定の停止シーケンスに従って適切に行うことができるので、このような可能性を低減できる。
本変形例の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第２実施例のいずれかの燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法と同様であってもよい。例えば、第２実施例の如く、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの水素消費割合が、予め設定された水素消費割合よりも高い場合において、本変形例の燃料電池システム１００の動作を行ってもよい。
（第２実施形態）
ＳＯＦＣ１のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作を行う際の問題について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
高温で作動する固体酸化物型の燃料電池システム１００では、ＳＯＦＣ１の発電に使用する空気で発電時に発生する熱を回収することにより、ＳＯＦＣ１の高温化を抑制する構成が取られている。このため、ＳＯＦＣ１のカソードに供給する空気の流量を低減させると、ＳＯＦＣ１の動作温度が上昇する。そして、固体酸化物型の燃料電池システム１００でも、ＳＯＦＣ１の動作温度が過度に高温化すると、ＳＯＦＣ１の電解質、その周辺部材などの熱劣化が生じて、燃料電池システム１００の長期運転時の発電性能が低下する可能性がある。
そこで、第２実施形態の燃料電池システム１００は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２実施例および第１実施形態の第１変形例−第２変形例のいずれかの燃料電池システムにおいて、ＳＯＦＣ１の温度を検知する第２温度検知器２２を備え、制御器２０は、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が第１閾値Ｓ１を下回ると、第２温度検知器２２の検知温度Ｔ２が、予め設定された第４閾値Ｓ４を超えないように、ＳＯＦＣ１のカソードに供給される空気に対してカソードで消費させる空気の割合を高くする動作を行う。
図７は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図７に示すように、燃料電池システム１００は、ＳＯＦＣ１と、燃焼器２と、改質器４と、空気熱交換器７と、原料供給器１０と、水供給器１１と、空気供給器１２と、水素含有ガス供給経路１３と、空気供給経路１４と、アノードオフガス排出経路１５と、カソードオフガス排出経路１６と、火炎ガイド１８と、制御器２０と、第１温度検知器２１と、第２温度検知器２２と、を備える。なお、ＳＯＦＣ１、燃焼器２、改質器４、空気熱交換器７、原料供給器１０、水供給器１１、空気供給器１２、水素含有ガス供給経路１３、空気供給経路１４、アノードオフガス排出経路１５、カソードオフガス排出経路１６、火炎ガイド１８および第１温度検知器２１は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
第２温度検知器２２は、上記のとおり、ＳＯＦＣ１の温度を検知する。第２温度検知器２２は、ＳＯＦＣ１の温度を検知できれば、どのような構成であってもよい。例えば、ＳＯＦＣ１中に第２温度検知器２２を設け、ＳＯＦＣ１の温度を直接、検知してもよいし、ＳＯＦＣ１の温度と相関する所定の箇所に第２温度検知器２２を設け、ＳＯＦＣ１の温度を間接的に検知してもよい。第２温度検知器２２として、例えば、熱電対、サーミスタなどを例示できる。
制御器２０は、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が第１閾値Ｓ１を下回ると、第２温度検知器２２の検知温度Ｔ２が、予め設定された第４閾値Ｓ４を超えない範囲で、ＳＯＦＣ１のカソードに供給する空気の流量が減少するように空気供給器１２を制御する。
図８は、第２実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、図８のステップＳ１およびステップＳ２は、図２のステップＳ１およびステップＳ２と同様であるので詳細な説明を省略する。
本変形例の燃料電池システム１００では、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が、予め設定された第１閾値Ｓ１を下回ると（ステップＳ１で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ２で、ＳＯＦＣ１のカソードに供給される空気に対してカソードで消費される空気の割合を高くする動作、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作、および、改質器４に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作が行われる。
次に、上記の動作において、ＳＯＦＣ１の温度が第２温度検知器２２で検知され、第２温度検知器２２の検知温度Ｔ２が、予め設定された第４閾値Ｓ４を上回るか否かが判定される（ステップＳ７）。なお、ＳＯＦＣ１の温度特性および寿命特性に基づいて、燃料電池システム１００の長期運転時の発電性能の低下が起こりにくい温度の上限値を、ステップＳ７の第４閾値Ｓ４として設定するとよい。
ステップＳ７の第２温度検知器２２の検知温度Ｔ２が、第４閾値Ｓ４以下である場合、燃料電池システム１００の動作がそのまま継続し、適時に、ステップＳ１の動作が再び行われる。
ステップＳ７の第２温度検知器２２の検知温度Ｔ２が、予め設定された第４閾値Ｓ４を上回ると、ステップＳ８で、第２温度検知器２２の検知温度Ｔ２が第４閾値Ｓ４を超えないように、ＳＯＦＣ１のカソードに供給される空気に対してカソードで消費させる空気の割合を高くする動作が行われる。例えば、第２温度検知器２２の検知温度Ｔ２が第４閾値Ｓ４を超えない範囲で、ＳＯＦＣ１のカソードに供給する空気の流量が減少するように空気供給器１２が制御されてもよい。また、図示を省略するが、第２温度検知器２２の検知温度Ｔ２が、第４閾値Ｓ４を超える場合は、燃料電池システム１００の動作を停止してもよい。
以上により、本実施形態の燃料電池システム１００では、第１温度検知器２１の検知温度Ｔ１が第１閾値Ｓ１を下回る場合に、燃焼器２の燃焼温度の低下を抑制する動作が行われつつ、ＳＯＦＣ１の温度が第４閾値Ｓ４を超えない範囲で、ＳＯＦＣ１のカソードに供給する空気の流量を低減できる。よって、ＳＯＦＣ１の電解質、その周辺部材などの熱劣化を抑制しつつ、燃焼器２の火炎が形成されている状態で、燃焼器２の燃焼状態を従来よりも安定化させ得る。
本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２実施例および第１実施形態の第１変形例−第２変形例のいずれかの燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法と同様であってもよい。例えば、第１実施形態の第２実施例の如く、ＳＯＦＣ１のアノードに供給される水素含有ガスに対してアノードで消費される水素含有ガスの水素消費割合が、予め設定された水素消費割合よりも高い場合において、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を行ってもよい。
なお、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２実施例、第１実施形態の第１変形例−第２変形例および第２実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
本開示の一態様は、燃焼器の火炎が形成されている状態で、燃焼器の燃焼状態を従来よりも安定化させ得る燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に利用できる。
１ ：燃料電池（ＳＯＦＣ）
２ ：燃焼器
４ ：改質器
４Ａ ：円筒内壁
４Ｂ ：円筒外壁
４Ｃ ：改質触媒
４Ｄ ：水蒸発部
７ ：空気熱交換器
７Ａ ：筒状内壁
７Ｂ ：筒状外壁
７Ｃ ：空気経路
８ ：燃焼空間
９ ：燃焼排ガス経路
１０ ：原料供給器
１１ ：水供給器
１２ ：空気供給器
１３ ：水素含有ガス供給経路
１４ ：空気供給経路
１５ ：アノードオフガス排出経路
１６ ：カソードオフガス排出経路
１８ ：火炎ガイド
２０ ：制御器
２１ ：第１温度検知器
２２ ：第２温度検知器
１００ ：燃料電池システム

Claims (13)

  1. カソードに供給される空気とアノードに供給される水素含有ガスとを燃料として発電する固体酸化物型の燃料電池と、
    前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスと前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスとを燃焼させ、燃焼排ガスを生成する燃焼器と、
    原料の水蒸気改質により前記燃料電池のアノードに供給するための前記水素含有ガスを生成する改質器と、
    前記燃焼排ガスおよび前記燃焼器のうちの少なくとも一方の温度を検知する第１温度検知器と、
    前記燃焼器の火炎が形成されている状態で、前記第１温度検知器の検知温度が、予め設定された第１閾値を下回ると、前記燃料電池のカソードに供給される空気に対して前記カソードで消費される空気の割合を高くする動作、前記燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスに対して前記アノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作、および、前記改質器に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作を行う制御器と、を備える燃料電池システム。
  2. 前記制御器は、前記燃焼器の火炎が形成されている状態で、前記第１温度検知器の検知温度が、予め設定された第１閾値を下回ると、前記燃料電池のカソードに供給される空気に対して前記カソードで消費される空気の割合を高くする動作、および、前記改質器に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御器は、前記燃料電池の発電継続中において、前記第１温度検知器の検知温度が前記第１閾値を下回ると、前記少なくともいずれか１つの動作を行う請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御器は、前記燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスに対して前記アノードで消費される水素含有ガスの水素消費割合が、予め設定された水素消費割合よりも高い場合において、前記第１温度検知器の検知温度が前記第１閾値を下回ると、前記少なくともいずれか１つの動作を行う請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御器は、前記第１温度検知器の検知温度が前記第１閾値を下回ると、前記少なくともいずれか１つの動作を行った後、前記第１温度検知器の検知温度が、前記第１閾値よりも低い温度に予め設定された第２閾値を下回ると、前記燃料電池システムの運転を停止させる請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御器は、前記第１温度検知器の検知温度が前記第１閾値を下回ると、前記少なくともいずれか１つの動作を行った後、前記第１温度検知器の検知温度が、前記第１閾値よりも低い温度であって前記燃焼器の火炎が失火する直前の温度に予め設定された第３閾値を下回ると、前記燃料電池システムの運転を停止させる請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池の温度を検知する第２温度検知器を備え、
    前記制御器は、前記第１温度検知器の検知温度が前記第１閾値を下回ると、前記第２温度検知器の検知温度が、予め設定された第４閾値を超えないように、前記燃料電池のカソードに供給される空気に対して前記カソードで消費させる空気の割合を高くする動作を行う請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池のカソードに空気を供給する空気供給器を備え、
    前記制御器は、前記燃料電池のカソードに供給される空気に対して前記カソードで消費される空気の割合を高くする動作として、前記燃料電池のカソードに供給する空気の流量が減少するように前記空気供給器を制御する請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
  9. 前記改質器に原料を供給する原料供給器を備え、
    前記制御器は、前記燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスに対して前記アノードで消費させる水素含有ガスの割合を低くする動作として、前記改質器に供給する原料の流量が増加するように前記原料供給器を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
  10. 前記制御器は、前記燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスに対して前記アノードで消費させる水素含有ガスの割合を低くする動作として、前記燃料電池の発電量が下がるように前記燃料電池システムを制御する請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
  11. 前記改質器に水を供給する水供給器を備え、
    前記制御器は、前記改質器に供給される水の流量が減少するように前記水供給器を制御する請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
  12. 固体酸化物型の燃料電池において、前記燃料電池のカソードに供給される空気と前記燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスとを燃料として発電し、
    前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスと前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスとが燃焼器で燃焼することで燃焼排ガスを生成し、
    改質器において、原料の水蒸気改質により前記燃料電池のアノードに供給するための前記水素含有ガスを生成し、
    温度検知器において、前記燃焼排ガスおよび前記燃焼器のうちの少なくとも一方の温度を検知し、
    前記燃焼器の火炎が形成されている状態で、前記温度検知器の検知温度が、予め設定された閾値を下回ると、前記燃料電池のカソードに供給される空気に対して前記カソードで消費される空気の割合を高くする動作、前記燃料電池のアノードに供給される水素含有ガスに対して前記アノードで消費される水素含有ガスの割合を低くする動作、および、前記改質器に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作が行われる燃料電池システムの運転方法。
  13. 前記燃焼器の火炎が形成されている状態で、前記第１温度検知器の検知温度が、予め設定された第１閾値を下回ると、前記燃料電池のカソードに供給される空気に対して前記カソードで消費される空気の割合を高くする動作、および、前記改質器に供給される水の量を少なくする動作のうち、少なくともいずれか１つの動作が行われる請求項１２に記載の燃料電池システムの運転方法。
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