JP2019204774A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃焼器における燃焼状態を安定に維持しながら、燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転を従来よりも適切に行い得る燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、原料を改質することで燃料ガスを生成する改質器と、改質器に原料を供給する原料供給器と、燃料電池スタックのアノードから排出されたアノードオフガスを燃焼する燃焼器と、燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転の期間を、複数のサブ期間に区分するとき、複数のサブ期間から選ばれた２つのサブ期間のそれぞれにおける、原料流量の増分とサブ期間とから求まる比率が、低出力側よりも高出力側が小さくなるように原料供給器を制御する制御器と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は燃料電池システムに関する。
燃料電池システムにおいては、一般的に、燃料電池スタックの温度が定格温度以上に到達すると、燃料電池スタックが、外部の電力負荷の消費電力とほぼ同等の電力を出力する発電制御が行われる（以下、負荷追従運転）。
このような負荷追従運転では、燃料電池スタックの出力が高出力（高負荷領域）から低出力（低負荷領域）に移行する際に、燃焼器への燃料の供給量が減少するので、燃焼器による燃料の燃焼が不安定になる可能性がある。そこで、特許文献１では、固体酸化物形燃料電池スタック（以下、ＳＯＦＣスタック）の燃料利用率を、低負荷領域では、高負荷領域に比べて低くすることが提案されている。これにより、低負荷領域でＳＯＦＣスタックの発電に寄与せずに燃焼器に供給される燃料が増えるので、燃焼器における燃焼状態が改善する。
また、特許文献１では、ＳＯＦＣスタックの燃料利用率の低下割合を、所定の負荷よりも小さい負荷領域では、高負荷側ほど小さくすることが提案されている。つまり、この高負荷側では燃料供給量の絶対量が比較的多く、ＳＯＦＣスタックの温度も十分に高温に維持されているので、ＳＯＦＣスタックの燃料利用率の低下割合を高負荷側ほど小さく（つまり、緩やかに）することにより、燃料が燃焼器で無駄に消費（燃焼）されることが抑制される。
特許第５４１２９６０号公報
しかし、特許文献１では、燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転における燃焼器での燃焼性の問題については検討されていない。
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、燃焼器における燃焼状態を安定に維持しながら、燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転を従来よりも適切に行い得る燃料電池システムを提供する。
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、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、原料を改質することで前記燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、前記燃料電池スタックのアノードから排出されたアノードオフガスを燃焼する燃焼器と、前記燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転の期間を、ｎ個のサブ期間（ｓ１、ｓ２、・・・、ｓｎ：ｎは自然数)に区分し、前記ｎ個のサブ期間それぞれにおける前記原料の流量の増分をｆ１、ｆ２、・・・、ｆｎ（ｎは自然数）とし、前記ｎ個のサブ期間から選ばれたサブ期間（ｓｘ）に対応する前記原料の流量の増分（ｆｘ）と前記サブ期間（ｓｘ）とから求まるｎ個の比率をｒｘ（ｒｘ＝ｆｘ／ｓｘ：ｘは１≦ｘ≦ｎで示される自然数）とし、前記ｎ個の比率から選ばれた２つの比率のうち、前記低出力側を第１比率、前記高出力側を第２比率と定義するとき、
前記第２比率が前記第１比率よりも小さくなるように前記原料供給器を制御する制御器と、を備える。
本開示の一態様の燃料電池システムは、燃焼器における燃焼状態を安定に維持しながら、燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転を従来よりも適切に行い得るという効果を奏する。
図１は、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、実施形態の第１実施例における燃料電池システムの動作の一例を示す図である。 図３は、実施形態の第２実施例における燃料電池システムの動作の一例を示す図である。
燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転における燃焼器での燃焼性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。
本燃焼性の問題を検討するに当たって、後述（図１）の燃焼器２０の部分のみから構成される燃焼実験装置（以下、燃焼実験装置）を製作した。そして、この燃焼実験装置を用いて、燃料電池スタックの低出力時の出力電流（１Ａ）から高出力時の出力電流（７Ａ）まで間の代表的な３つの動作点（燃料電池スタックの出力電流：２Ａ、５Ａおよび７Ａ）における燃焼実験装置の失火限界を検証する燃焼実験を行った。
本燃焼実験は、上記動作点のそれぞれにおけるアノードオフガス組成に対応した模擬ガスをそれぞれ調製することで行われた。具体的には、模擬ガスとして、水素ガス（Ｈ２）、窒素ガス（Ｎ２）および微量の都市ガスからなる混合ガスを使用した。そして、混合ガス中の水素ガス濃度を、アノードオフガス中の水素ガスと同等の濃度に設定するとともに、アノードオフガス中の二酸化炭素ガス（ＣＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）などの他のガス成分を、混合ガス中の窒素ガスで置き換えた。なお、混合ガス中の微量の都市ガスは、燃焼実験装置の火炎可視化の目的で添加した。また、本燃焼実験では、燃焼実験装置に供給する空気の流量を、燃料電池システムの負荷追従運転で想定される値に設定した。
以下の表１には、以上の条件で行われた燃焼実験の結果が示されている。
Figure 2019204774
表１の上段には、燃料電池システムの負荷追従運転において、動作点のそれぞれで一般的に設定される燃料利用率（以下、通常設定の燃料利用率）が記載されている。
燃料利用率は、燃料電池スタックに供給される燃料の総熱量に対する燃料電池スタックの発電反応に使用される燃料の熱量の割合に対応している。よって、燃料電池システムで熱自立運転を行う観点から、燃料電池スタックの出力電流が小さい程（つまり、燃料の流量が少ない程）、燃料利用率を低くすることが多い。例えば、燃料電池スタックの出力電流が２Ａであるとき、通常設定の燃料利用率は約３５％程度である。また、燃料電池スタックの出力電流が大きい場合は、燃料電池スタックの温度が十分に高温であるので、燃料電池システムで高効率運転を行う観点から燃料利用率を高くすることが多い。例えば、燃料電池スタックの出力電流が７Ａであるとき、通常設定の燃料利用率は約７５％程度である。
表１の下段には、燃焼実験装置が失火に至る限界の燃料利用率（以下、限界の燃料利用率）が記載されている。これは、各動作点において、通常設定の燃料利用率よりも高い燃料利用率におけるアノードオフガス組成に対応した模擬ガスを調製することにより、燃焼実験装置の燃焼実験を行うことで得られた実験データである。
そして、表１の通常設定の燃料利用率と限界の燃料利用率との大小関係を比較することで、例えば、燃料電池スタックの出力電流が２Ａであるときは、通常設定の燃料利用率（３５％）と限界の燃料利用率（７５％）との間で十分な差が存在することがわかった。よって、この場合、例えば、仮に外乱などにより燃料電池スタックの燃料利用率の変動が発生しても、燃焼実験装置で失火が起こる可能性は低いと考えられる。
逆に、燃料電池スタックの出力電流が７Ａであるときは、通常設定の燃料利用率（７５％）と限界の燃料利用率（７８％）との間の差が殆ど存在しないことがわかった。よって、この場合、例えば、仮に外乱などにより燃料電池スタックの燃料利用率の変動が発生すると、燃焼実験装置で失火が起こる可能性は高いと考えられる。
発明者らは、以上のような通常設定の燃料利用率と限界の燃料利用率との大小関係の視点から、燃焼器における燃焼状態を安定に維持しながら、燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する好適な負荷追従運転を見出し、以下の本開示の一態様に到達した。
すなわち、本開示の第１態様の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、原料を改質することで前記燃料ガスを生成する改質器と、改質器に原料を供給する原料供給器と、燃料電池スタックのアノードから排出されたアノードオフガスを燃焼する燃焼器と、
燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転の期間を、ｎ個のサブ期間（ｓ１、ｓ２、・・・、ｓｎ：ｎは自然数)に区分し、前記ｎ個のサブ期間それぞれにおける前記原料の流量の増分をｆ１、ｆ２、・・・、ｆｎ（ｎは自然数）とし、前記ｎ個のサブ期間から選ばれたサブ期間（ｓｘ）に対応する前記原料の流量の増分（ｆｘ）と前記サブ期間（ｓｘ）とから求まるｎ個の比率をｒｘ（ｒｘ＝ｆｘ／ｓｘ：ｘは１≦ｘ≦ｎで示される自然数）とし、前記ｎ個の比率から選ばれた２つの比率のうち、前記低出力側を第１比率、前記高出力側を第２比率と定義するとき、第２比率が第１比率よりも小さくなるように原料供給器を制御する制御器と、を備える。
本開示の第２態様の燃料電池システムは、第１態様の燃料電池システムにおいて、制御器は、原料供給器を制御して、ｎ個の比率をｒ１＞ｒ２＞・・・＞ｒｎとしてもよい。つまり、燃料電池スタックの出力が高出力側ほど比率を小さくしてもよい。
以上の構成によると、本態様の燃料電池システムは、燃焼器における燃焼状態を安定に維持しながら、燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転を従来よりも適切に行い得る。
本開示の第３態様の燃料電池システムは、第２態様の燃料電池システムにおいて、制御器は、原料供給器を制御して、ｎ個のサブ期間の長さをｓ１＜ｓ２・・・＜ｓｎとしてもよい。つまり、燃料電池スタックの出力が高出力側ほどサブ期間を長くしてもよい。また、本開示の第４態様の燃料電池システムは、第３態様の燃料電池システムにおいて、制御器は、上記のサブ期間のそれぞれにおいて、燃料電池スタックの出力電流を増加させてもよい。これにより、本態様の燃料電池システムは、燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転において、燃料電池スタックの燃料利用率を適切に上げることができる。
このとき、仮に燃料電池スタックの出力が高出力側ほど、サブ期間が短い場合、燃料利用率の変化が高出力側ほど大きくなる。すると、上記のとおり、燃料電池スタックの出力が高出力側では、通常設定の燃料利用率と限界の燃料利用率との間の差が小さいので、燃焼器で失火が起こりやすくなる。
しかし、本態様の燃料電池システムは、燃料電池スタックの出力が高出力側ほどサブ期間を長くすることで、燃料利用率の変化を高出力側ほど緩やかにできる。よって、燃焼器で失火が起こる可能性を低減できる。
また、上記のとおり、燃料電池スタックの出力が低出力側では、通常設定の燃料利用率と限界の燃料利用率との間の差が大きいので、燃料電池スタックの出力が低出力側で高出力側よりもサブ期間が短くても、燃焼器で失火が起こる可能性が低い。よって、本態様の燃料電池システムは、高出力側のサブ期間よりも低出力側のサブ期間を短くすることで、そのようにしない場合に比べて、上記の負荷追従運転の期間を短縮できる。
本開示の第５態様の燃料電池システムは、第２態様または第３態様の燃料電池システムにおいて、制御器は、原料供給器を制御して、ｎ個の原料の流量の増分をｆ１＞ｆ２・・・＞ｆｎとしてもよい。つまり、燃料電池スタックの出力が高出力側ほど原料の流量の増分を小さくしてもよい。本開示の第６態様の燃料電池システムは、第５態様の燃料電池システムにおいて、制御器は、上記のサブ期間のそれぞれにおいて、燃料電池スタックの出力電流を増加させてもよい。これにより、本態様の燃料電池システムは、燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転において、燃料電池スタックの燃料利用率を適切に上げることができる。
このとき、仮に、燃料電池スタックの出力が高出力側ほど原料流量の増分を大きくする場合、燃焼器で失火が高出力側ほど起こりやすくなる。
この理由を、図１の燃焼器２０の構成を参照しながら説明する。なお、以下の説明は例示であって、本例に限定されない。例えば、本態様の燃料電池システムの燃焼器が、図１の燃焼器２０に限定されるわけではない。
図１の燃焼器２０の如く、アノードオフガス噴出孔２１から噴出したアノードオフガスと、第１カソードオフガス通過領域２３および第２カソードオフガス通過領域３０を通過したカソードオフガスとが燃焼空間２５において拡散燃焼する場合、燃料電池スタックの出力が高出力側ほど原料流量の増分を大きくすることは、アノードオフガス噴出孔２１から噴出するアノードオフガスの流速が高出力側ほど速くなることを意味する。すると、上記のとおり、燃料電池スタックの出力が高出力側では、通常設定の燃料利用率と限界の燃料利用率との間の差が小さいので、かかるアノードオフガス噴出孔２１におけるアノードオフガスの流速アップの悪影響（例えば、燃焼空間２５における火炎の浮き上がり、火炎の吹き飛びなど）により、燃焼器２０で失火が起こりやすくなる。
しかし、本態様の燃料電池システムは、燃料電池スタックの出力が高出力側ほど原料流量の増分を小さくすることで、上記の不都合を緩和できるので、燃焼器で失火が起こる可能性を低減できる。
また、上記のとおり、燃料電池スタックの出力が低出力側では、通常設定の燃料利用率と限界の燃料利用率との間の差が大きいので、原料流量の低出力側の増分が、原料流量の高出力側の増分よりも大きくなった場合でも、燃焼器で失火が起こる可能性が低い。よって、本態様の燃料電池システムは、原料流量の低出力側の増分を原料流量の高出力側の増分より大きくすることで、そのようにしない場合に比べて、原料流量を速やかに増加できる。
本開示の第７態様の燃料電池システムは、第１態様から第６態様のいずれか一つの燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池スタックであってもよい。
固体酸化物形燃料電池システム（以下、ＳＯＦＣシステム）では、ＳＯＦＣスタックの発電効率向上のために燃料利用率を高くする傾向があるので、燃焼器の燃料として使用するアノードオフガスが希薄燃料化することで、燃焼器で失火が起こりやすい。よって、上記の各態様の技術的特徴は、特にＳＯＦＣシステムにおいて効果的に機能する。
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される数値、形状、材料、構成要素、および、構成要素間の配置位置および接続形態などは、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。
（実施形態）
図１は、実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
なお、図１において、便宜上、同図のように「上」および「下」が取られ、重力は上から下に作用するものとする。
図１に示す例では、ＳＯＦＣシステム１００は、改質器２と、燃料電池スタック６と、燃焼器２０と、制御器４０、原料供給器４１と、を備える。
なお、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、ＳＯＦＣシステム１００の内部を改質器２、蒸発器４および燃焼器２０などが収容される上部領域５０Ａと、燃料電池スタック６などが収容される下部領域５０Ｂとに仕切る隔壁部５１が設けられている。
原料供給器４１は、改質器２に原料を供給する装置である。原料供給器４１は、改質器２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４１として、例えば、定容積型のポンプを挙げることができるが、これに限定されない。
改質器２は、炭化水素系の原料を改質することで水素含有の燃料ガス（改質ガス）を生成する装置である。ここでは、改質器２は、燃焼器２０の上方に配置されており、内壁２Ａと外壁２Ｂとから形成されている側壁部を備えるが、必ずしも、この構成に限定されない。
但し、改質器２が側壁部を備える場合、側壁部の厚みを適切に設定することで、改質器２の側壁部に充填された改質触媒２Ｅ全体に対して燃焼排ガスからの熱を効率よく伝えることができる。
ここで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２の内壁２Ａおよび外壁２Ｂは、径の異なる円筒体であるであるが、これに限らない。内壁２Ａおよび外壁２Ｂは、例えば、矩形筒体であってもよい。但し、改質器２の内壁２Ａおよび外壁２Ｂを円筒体で構成した場合、これらを矩形筒体で構成した場合と比べ、製造時の溶接長さおよび溶接箇所を削減できる。このため、改質器２の製造コストの低減を図ることができる。また、改質器２の内壁２Ａおよび外壁２Ｂを円筒体で構成した場合、ガス圧力への耐性、熱応力への耐性が向上し、円筒体の薄板化が可能となる。
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２の側壁部の上端領域は上板部材２Ｕで覆われ、側壁部の下端領域は下板部材２Ｄで覆われている。なお、上板部材２Ｕの周辺部は、改質触媒２Ｅへ送るためのガスが通過する複数の開口部（図示せず）が形成されている。
図１に示すように、高温の燃焼排ガスが、改質器２の外壁２ＢとＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４との間の空間を通過する。これにより、改質器２の改質触媒２Ｅが燃焼排ガスの熱で加熱されている。
改質器２の内壁２Ａの下端部近傍には、折り返し部１６が設けられている。折り返し部１６は、内壁２Ａの周囲に沿って設けられた複数の開口部（図示せず）を備える。なお、この開口部は、改質触媒２Ｅの触媒粒子の通過を阻止し、燃料ガスの通気を許すような大きさで内壁２Ａに形成されている。
また、燃料ガス供給経路１３が、下板部材２Ｄを気密状態で貫通し、改質器２内の空間を鉛直上方に伸びている。なお、燃料ガス供給経路１３の上端部は、改質器２内の空間から燃料ガス供給経路１３への燃料ガスの流入を阻害しない位置であって、上板部材２Ｕよりも下方に位置している。燃料ガス供給経路１３の下端部は、燃料電池スタック６に接続されている。
改質器２の改質反応は、いずれの形態であってもよい。例えば、ＳＯＦＣシステム１００の負荷追従運転中は、改質器２の改質反応として、水蒸気改質反応が行われている。改質触媒２Ｅの触媒金属には、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。
なお、原料として、メタンガスを主成分とする都市ガスおよび天然ガス、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系の原料ガスを用いてもよいし、アルコール、バイオ燃料、軽油などの炭化水素系の液体燃料を用いてもよい。
ここで、水（水蒸気）と原料とは、高温状態（例えば、約４００〜７００℃程度）で改質器２に供給する必要がある。
そこで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２の上板部材２Ｕの直上に、蒸発器４が設けられ、水（水蒸気）および原料はそれぞれ、蒸発器４を介して、改質器２に供給されている。そして、改質器２では、その内部に充填された改質触媒２Ｅの層内で改質反応によって生成されたＨ２、ＣＯ２およびＣＯと、改質反応で未改質の原料と、水蒸気とを含む燃料ガスが生成される。燃料ガスは、燃料ガス供給経路１３を通じて燃料電池スタック６のアノードに供給される。
蒸発器４は、内壁４Ａと外壁４Ｂとで形成されている側壁部と、改質器２の上板部材２Ｕと下板部材４Ｄとで形成されている底部４Ｅとを備える。蒸発器４の側壁部の上端領域は、ＳＯＦＣシステム１００の容器の上壁５２で覆われ、側壁部の下端領域は下板部材４Ｄで覆われている。よって、蒸発器４の側壁部および底部４Ｅの内部はいずれも空間となっている。そして、この側壁部内に、らせん状の流路を構成する流路部材４Ｃ（例えば、ワイヤー）が巻き付けられている。
なお、蒸発器４の外壁４Ｂと改質器２の外壁２Ｂは、同一筒体で構成されている。これにより、ＳＯＦＣシステム１００の部品点数を削減できる。
ここでは、蒸発器４の内壁４Ａおよび外壁４Ｂは、径の異なる円筒体であるが、これに限らない。内壁４Ａおよび外壁４Ｂは、例えば、矩形筒体であってもよい。但し、蒸発器４の内壁４Ａおよび外壁４Ｂを円筒体で構成した場合、これらを矩形筒体で構成した場合と比べ、製造時の溶接長さおよび箇所を削減できるので、蒸発器４の製造コストの低減を図ることができる。また、蒸発器４の内壁４Ａおよび外壁４Ｂを円筒体で構成した場合、ガス圧力への耐性、熱応力への耐性が向上し、円筒体の薄板化が可能となる。
図１に示すように、高温の燃焼排ガスは、蒸発器４の外壁４ＢとＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４との間の空間を通過する。これにより、蒸発器４の側壁部内が燃焼排ガスの熱で加熱されている。
蒸発器４の内壁４Ａの下端部近傍には、折り返し部１７が設けられている。折り返し部１７は、内壁４Ａの周囲に沿って設けられた複数の開口部（図示せず）を備える。また、原料および水蒸気の混合ガスが流通する混合ガス供給経路１４が、下板部材４Ｄを気密状態で貫通し、蒸発器４内の空間を鉛直上方に伸びている。なお、混合ガス供給経路１４の上端部は、蒸発器４内の空間から混合ガス供給経路１４への混合ガスの流入を阻害しない位置であって、上壁５２よりも下方に位置している。混合ガス供給経路１４の下端部は、蒸発器４の底部４Ｅ内の空間から改質触媒２Ｅへの混合ガスの流入を阻害しない位置であって、上板部材２Ｕよりも上方に位置している。
燃料電池スタック６は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する。本例では、燃料電池スタック６は、固体酸化物形燃料電池スタック（ＳＯＦＣスタック）であるが、これに限定されない。また、本例では、酸化剤ガスとして、空気を用いているが、これに限定されない。
燃料電池スタック６のカソードには、空気供給経路５を通じて空気が供給され、燃料電池スタック６のアノードには、改質器２と接続された燃料ガス供給経路１３を通じて燃料ガスが供給されている。なお、空気供給経路５の詳細は後で説明する。
燃料電池スタック６では、燃料電池スタック６の単セル（図示せず）を、例えば、複数個集合し、直列に接続している。燃料電池スタック６は、複数の平板形の単セルを積層して形成されていてもよいし、複数の円筒形の単セルを集合して形成されていてもよい。
燃料電池スタック６の単セルはそれぞれ、固体酸化物電解質と、アノードと、カソードと、を備える。
固体酸化物電解質としては、酸化物イオン伝導体電解質であってもよいし、プロトン伝導体電解質であってもよい。
単セルのアノードは、固体酸化物電解質の一方の主面に設けられ、単セルのカソードは、固体酸化物電解質の一方の主面に設けられている。このような単セルの構成は、一般的なＳＯＦＣと同様であるので詳細な構成の説明は省略する。
空気供給経路５は、燃料電池スタック６のカソードに送るための空気が流通する流路である。具体的には、空気が、空気供給経路５に供給された後、燃料電池スタック６へと送られる。
空気供給経路５は、ＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４と外壁５３との間に形成されている。内壁５４は、ＳＯＦＣシステム１００の容器の上壁５２から燃料電池スタック６の下方へ延伸し、燃料電池スタック６の底部を覆っている。外壁５３は、内壁５４を外から覆うように延伸している。
なお、ＳＯＦＣシステム１００の運転温度が、高温（例えば、６００℃以上）となるので、ＳＯＦＣシステム１００の容器の周囲を、図示しない断熱材で覆い、外部への放熱を抑える構成を取ることが多い。
アノードオフガス排出経路１１は、燃料電池スタック６のアノードから排出されるアノードオフガスが流通する流路である。具体的には、燃料電池スタック６の発電に使用しなかった水素ガス（Ｈ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、一酸化炭素ガス（ＣＯ）、改質反応で未改質の原料などを含むアノードオフガスがアノードオフガス排出経路１１を通過した後、燃焼器２０のアノードオフガス集合部２２（後述）へと送られる。
ここでは、アノードオフガス排出経路１１は、燃料電池スタック６のアノードから下部領域５０Ｂおよび隔壁部５１を通過して燃焼器２０のアノードオフガス集合部２２へ至るように延伸している。なお、アノードオフガス排出経路１１の本数は、２本であるが、これに限らない。
カソードオフガス排出経路は、燃料電池スタック６のカソードから排出されるカソードオフガスが流通する流路である。具体的には、燃料電池スタック６の発電に使用しなかった空気（カソードオフガス）が、このカソードオフガス排出経路を通過した後、燃焼空間２５に送られる。
ここでは、カソードオフガス排出経路は、燃料電池スタック６が収容される下部領域５０Ｂ内の空間と、第１カソードオフガス通過領域２３と第２カソードオフガス通過領域３０とによって形成されている。
空気熱交換器７は、空気供給経路５を流れる空気と内壁５４内を流れる燃焼排ガスとがもっている熱を交換する装置である。つまり、空気熱交換器７では、燃焼排ガスに曝される内壁５４の部分が伝熱面として機能する。これにより、常温の空気は、空気供給経路５を上から下へと流れるとき、内壁５４内を下から上へと流れる燃焼排ガスとの熱交換により、高温（例えば、約６００℃〜７００℃程度）まで加熱される。さらに、空気は、燃料電池スタック６の内部改質の反応熱を利用し、燃料電池スタック６の発電反応に必要な温度まで加熱され、燃料電池スタック６を収容する容器の下部から燃料電池スタック６のカソードに供給される。なお、燃焼排ガスは、適温（例えば、約１００℃〜２００℃程度）まで冷却された後、ＳＯＦＣシステム１００外へ排出される。この燃焼排ガスは、例えば、給湯用の温水を生成するための図示しない熱交換器に送られてもよい。
燃焼器２０は、燃料電池スタック６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を燃焼する装置である。
燃焼器２０はアノードオフガス集合部２２を備える。アノードオフガス集合部２２には、燃料電池スタック６のアノードから排出されたアノードオフガスを集合させるとともに、集合したアノードオフガスを燃焼空間２５に噴出させるための複数のアノードオフガス噴出孔２１が設けられている。アノードオフガス集合部２２は、燃料電池スタック６のカソードから排出されたカソードオフガスが通過する第１カソードオフガス通過領域２３を囲むように形成されている。
図１に示すように、アノードオフガス集合部２２は、中空構造の円環体で形成されている。そして、この円環体の内側の空間と下部領域５０Ｂとが連通するように隔壁部５１には、開口部が形成されている。
この開口部を含む円環体の内側の空間を、第１カソードオフガス通過領域２３とする。一方、隔壁部５１においてアノードオフガス集合部２２の外周であって、かつ内壁５４よりも内側となる位置に形成された開口部を第２カソードオフガス通過領域３０とする。
第１カソードオフガス通過領域２３では、カソードオフガスはアノードオフガス集合部２２の内側を通過し、アノードオフガス噴出孔２１で火炎Ｆが燃料ガス供給経路１３に接近する内向きに形成される。よって、火炎Ｆの外周にカソードオフガスを行き届かせることが困難な場合がある。
そこで、カソードオフガスの一部を、アノードオフガス集合部２２よりも外側に位置する第２カソードオフガス通過領域３０を通過させることで、火炎Ｆの外周でもカソードオフガスとアノードオフガスとの混合性を改善させることができる。また、カソードオフガスとアノードオフガスとの混合性を改善させることにより、燃焼器２０の燃焼特性をさらに向上させることができる。例えば、燃料電池スタック６のカソードから排出されるカソードオフガスのトータル量の半分程度が、第２カソードオフガス通過領域３０を通過する構成としてもよい。
また、アノードオフガス噴出孔２１は、アノードオフガス噴出孔２１から上方へ噴出するアノードオフガスが、第１カソードオフガス通過領域２３を下から上へ通過するカソードオフガスに対して接近するように設けられている。つまり、アノードオフガス集合部２２は、第１カソードオフガス通過領域２３に向かって下方に傾斜するテーパ面２２Ｔを備え、テーパ面２２Ｔに、アノードオフガス噴出孔２１が形成されている。
このようにして、燃料電池スタック６から排出されたカソードオフガスとアノードオフガスとをそれぞれ燃焼空間２５に噴出させる。すると、アノードオフガス噴出孔２１から噴出したアノードオフガスと、第１カソードオフガス通過領域２３および第２カソードオフガス通過領域３０を通過したカソードオフガスとが燃焼空間２５において拡散燃焼する。
なお、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、アノードオフガス集合部２２を円環体で構成しているが、これに限らない。アノードオフガス集合部２２を、例えば、矩形環体で構成してもよい。但し、アノードオフガス集合部２２を円環体で構成することにより、アノードオフガス集合部２２を、例えば、矩形環体で構成する場合に比べ、製造時の溶接長さおよび箇所を削減できるので、アノードオフガス集合部２２の製造コストが低減する。また、ガス圧力への耐性、熱応力への耐性が向上し、円環体の薄板化が可能となる。
図１に図示されていないが、ＳＯＦＣシステム１００の運転において必要となる機器は、適宜設けられる。
例えば、燃料電池スタック６のカソードに供給する酸化剤ガスが空気であれば、燃料電池スタック６に発電用の空気を供給する空気供給器（例えば、ブロア）などが設けられる。
また、改質器２の改質反応が水蒸気改質反応であれば、蒸発器４に水を供給する水供給器（例えば、ポンプ）などが設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、ＳＯＦＣシステム１００には、上記の水供給器とともに、改質器２に改質用の空気を供給する空気供給器（例えば、ブロア）などが設けられる。
また、燃焼器２０に点火する点火装置（例えば、点火ヒーター、点火プラグ）が、燃焼空間２５の適所に設けられている。
また、改質器２および燃料電池スタック６などの温度を検知する温度検知器が、ＳＯＦＣシステム１００の適所に設けられている。
なお、以上の図示しない様々な機器は例示であって、本例に限定されない。
ここで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、燃料電池スタック６の出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転の期間を、原料の流量が増加するタイミング毎にｎ個のサブ期間（ｓ１、ｓ２、・・・、ｓｎ：ｎは自然数)に区分し、ｎ個のサブ期間それぞれにおける原料の流量の増分をｆ１、ｆ２、・・・、ｆｎ（ｎは自然数）とし、ｎ個のサブ期間から選ばれたサブ期間（ｓｘ）に対応する原料の流量の増分（ｆｘ）とサブ期間（ｓｘ）とから求まるｎ個の比率をｒｘ（ｒｘ＝ｆｘ／ｓｘ：ｘは１≦ｘ≦ｎで示される自然数）とし、ｎ個の比率から選ばれた２つの比率のうち、燃料電池スタック６の出力の低出力側を第１比率、燃料電池スタック６の出力の高出力側を第２比率と定義するとき、制御器４０は、第２比率が第１比率よりも小さくなるように原料供給器４１を制御する。なお、本例示では、燃料電池スタック６の出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転の期間を、原料の流量が増加するタイミング毎にｎ個のサブ期間に区分する例を示したが、ｎ個のサブ期間に区分するタイミングは、原料の流量が増加するタイミングに限られず、任意のタイミングで行うように構成してもよい。
例えば、制御器４０は、原料供給器４１を制御して、ｎ個の比率をｒ１＞ｒ２＞・・・＞ｒｎとしてもよい。
また、例えば、制御器４０は、原料供給器４１を制御して、ｎ個のサブ期間の長さをｓ１＜ｓ２・・・＜ｓｎとしてもよい。
また、例えば、制御器４０は、原料供給器４１を制御して、ｎ個の原料の流量の増分をｆ１＞ｆ２・・・＞ｆｎとしてもよい。
なお、制御器４０は、ＳＯＦＣシステム１００の全体の動作を制御してもよい。また、制御器４０は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であってもよい。制御器４０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などを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。
制御器４０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。
このようにして、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、上記の制御器４０による原料供給器４１の制御により、燃焼器２０における燃焼状態を安定に維持しながら、燃料電池スタック６の出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転を従来よりも適切に行い得る。詳細は、以下の第１実施例および第２実施例で説明する。
（第１実施例）
本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、以下に説明する制御器４０による原料供給器４１の制御内容以外は、実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様である。
制御器４０は、原料供給器４１を制御して、燃料電池スタック６の出力が高出力側ほどサブ期間を長くする。このとき、制御器４０は、複数のサブ期間のそれぞれにおいて、燃料電池スタック６の出力電流を増加させる。
図２は、実施形態の第１実施例における燃料電池システムの動作の一例を示す図である。
図２では、横軸に時間が取られており、燃料電池スタック６の出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転において、原料流量の時間変化を表すグラフの一例と、燃料電池スタック６の出力電流の時間変化を表すグラフの一例と、燃料電池スタック６の燃料利用率の時間変化を表す燃料利用率グラフ２００の一例と、が示されている。
なお、図２中のグラフはそれぞれ、上記の原料流量、出力電流および燃料利用率のそれぞれの変化の傾向を模式的に示したものであって、これらの正確な変化を表しているわけではない。
ここで、図２に示すように、燃料電池スタック６の出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転の期間が、原料流量が増加するタイミングＴ１、Ｔ２、Ｔ３毎に複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３に区分されている。そして、燃料電池スタック６の出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転では、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３のそれぞれにおいて、原料流量が増加するとともに、燃料電池スタック６の出力電流が増加している。
本例では、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３のそれぞれにおける原料流量の増分ｆ１、ｆ２、ｆ３は同じ値に設定されているが（つまり、ｆ１＝ｆ２＝ｆ３）、第２実施例の如く、燃料電池スタック６の出力が高出力側ほど原料流量の増分ｆ１、ｆ２、ｆ３が小さくなるように設定されていてもよい（つまり、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３）。また、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３のそれぞれにおける燃料電池スタック６の出力電流の増分ａ１、ａ２、ａ３は同じ値に設定されているが（つまり、ａ１＝ａ２＝ａ３）、これに限定されない。
これに対して、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３は、燃料電池スタック６の出力が高出力側ほど長くなっている（つまり、ｓ１＜ｓ２＜ｓ３）。
従って、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３から選ばれた２つのサブ期間ｓ１、ｓ２のそれぞれにおける、原料流量の増分ｆ１、ｆ２とサブ期間ｓ１、ｓ２とから求まる２つの比率ｒ１、ｒ２（ｒ１＝ｆ１／ｓ１、ｒ２＝ｆ２／ｓ２）が、低出力側よりも高出力側が小さくなっている（つまり、ｒ１＞ｒ２）。
また、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３から選ばれた２つのサブ期間ｓ１、ｓ３のそれぞれにおける、原料流量の増分ｆ１、ｆ３とサブ期間ｓ１、ｓ３とから求まる２つの比率ｒ１、ｒ３（ｒ１＝ｆ１／ｓ１、ｒ３＝ｆ３／ｓ３）が、低出力側よりも高出力側が小さくなっている（つまり、ｒ１＞ｒ３）。
また、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３から選ばれた２つのサブ期間ｓ２、ｓ３のそれぞれにおける、原料流量の増分ｆ２、ｆ３とサブ期間ｓ２、ｓ３とから求まる２つの比率ｒ２、ｒ３（ｒ２＝ｆ２／ｓ２、ｒ３＝ｆ３／ｓ３）が、低出力側よりも高出力側が小さくなっている（つまり、ｒ２＞ｒ３）。
また、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３のそれぞれにおける、原料流量の増分ｆ１、ｆ２、ｆ３とサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３とから求まる３つの比率ｒ１、ｒ２、ｒ３（ｒ１＝ｆ１／ｓ１、ｒ２＝ｆ２／ｓ２、ｒ３＝ｆ３／ｓ３）は、燃料電池スタック６の出力が高出力側ほど小さくなっている（つまり、ｒ１＞ｒ２＞ｒ３）。
燃料電池スタック６の出力が低出力であるときは、燃料電池スタック６から出力される電流Ｃ１および原料（例えば、都市ガス）の流量Ｆ１はそれぞれ、例えば、約２Ａ程度および約０．９Ｌ／ｍｉｎ程度に設定される。そして、この場合、ＳＯＦＣシステム１００で熱自立運転を行う観点から、燃料電池スタック６の燃料利用率を低い値（例えば、約３５％程度）に維持している。
この状態で、燃料電池スタック６の出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転が行われる場合、まず、原料流量が増加するタイミングＴ１で、原料流量が、所定時間（例えば、例えば３秒〜１０秒程度）で流量Ｆ１から流量Ｆ２まで増加する。これにより、燃料利用率グラフ２００は、原料流量が増加するに連れて下降する傾向を示す。
その後、サブ期間ｓ１の間で（例えば、上記のタイミングＴ１から一定時間経過後のサブ期間ｓ１内で）、燃料電池スタック６の出力電流が、電流Ｃ１からＣ２に上昇する。このとき、燃料利用率グラフ２００は、燃料電池スタック６の出力電流が増加するに連れて、タイミングＴ１以前の燃料利用率より上回るように上昇する傾向を示す。
次に、原料流量が増加するタイミングＴ２で、原料流量が、所定時間（例えば、例えば３秒〜１０秒程度）で流量Ｆ２から流量Ｆ３まで増加する。これにより、燃料利用率グラフ２００は、原料流量が増加するに連れて下降する傾向を示す。
その後、サブ期間ｓ１より長いサブ期間ｓ２の間で（例えば、上記のタイミングＴ２から一定時間経過後のサブ期間ｓ２内で）、燃料電池スタック６の出力電流が、電流Ｃ２からＣ３に上昇する。このとき、燃料利用率グラフ２００は、燃料電池スタック６の出力電流が増加するに連れて、タイミングＴ２以前の燃料利用率より上回るように上昇する傾向を示す。
次に、原料流量が増加するタイミングＴ３で、原料流量が、所定時間（例えば、例えば３秒〜１０秒程度）で流量Ｆ３から流量Ｆ４まで増加する。これにより、燃料利用率グラフ２００は、原料流量が増加するに連れて下降する傾向を示す。
その後、サブ期間ｓ２より長いサブ期間ｓ３の間で（例えば、上記のタイミングＴ３から一定時間経過後のサブ期間ｓ３内で）、燃料電池スタック６の出力電流が、電流Ｃ３からＣ４に上昇する。このとき、燃料利用率グラフ２００は、燃料電池スタック６の出力電流が増加するに連れて、タイミングＴ３以前の燃料利用率より上回るように上昇する傾向を示す。
このようにして、燃料電池スタック６の出力が高出力であるときは、燃料電池スタック６から出力される電流Ｃ４および原料（例えば、都市ガス）の流量Ｆ４はそれぞれ、例えば、約７Ａ程度および約２．０Ｌ／ｍｉｎ程度に設定される。そして、この場合、ＳＯＦＣシステム１００で高効率運転を行う観点から、燃料電池スタック６の燃料利用率が高い値（例えば、約７５％程度）にまで到達している。
以上のとおり、本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、燃料電池スタック６の出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転における、上記の複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３のそれぞれにおいて、制御器４０は、原料流量を増加させるとともに、燃料電池スタック６の出力電流を増加させている。これにより、本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、燃料電池スタック６の出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転において、燃料電池スタック６の燃料利用率を適切に上げることができる。
このとき、仮に燃料電池スタック６の出力が高出力側ほど、サブ期間が短い場合（つまり、ｓ１＞ｓ２＞ｓ３）、燃料利用率の変化が高出力側ほど大きくなる。すると、上記のとおり、燃料電池スタック６の出力が高出力側では、通常設定の燃料利用率と限界の燃料利用率との間の差が小さいので、燃焼器２０で失火が起こりやすくなる。
しかし、本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、燃料電池スタック６の出力が高出力側ほど、サブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３を長くすることで（つまり、ｓ１＜ｓ２＜ｓ３）、燃料利用率の変化を高出力側ほど緩やかにできる。よって、燃焼器２０で失火が起こる可能性を低減できる。
また、上記のとおり、燃料電池スタック６の出力が低出力側では、通常設定の燃料利用率と限界の燃料利用率との間の差が大きいので、燃料電池スタック６の出力が低出力側で高出力側よりもサブ期間が短くても、燃焼器２０で失火が起こる可能性が低い。よって、本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、高出力側のサブ期間よりも低出力側のサブ期間を短くすることで、そのようにしない場合に比べて、上記の負荷追従運転の期間を短縮できる。
なお、上記のサブ期間ｓ１−ｓ３、原料流量Ｆ１−Ｆ４、電流Ｃ１−Ｃ４および燃料利用率などは例示であって、本例に限定されない。
例えば、上記では、３つのサブ期間ｓ１−ｓ３が設けられているが、これに限定されない。このようなサブ期間は、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。また、上記では、電流Ｃ１−Ｃ４の増分ａ１−ａ３を同じ値に設定にしたが、これらをサブ期間ｓ１−ｓ３毎に変化させてもよい。
本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、上記の特徴以外は、実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様であってもよい。
（第２実施例）
本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、以下に説明する制御器４０による原料供給器４１の制御内容以外は、実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様である。
制御器４０は、原料供給器４１を制御して、燃料電池スタック６の出力が高出力側ほど原料流量の増分を小さくする。このとき、制御器４０は、複数のサブ期間のそれぞれにおいて、燃料電池スタック６の出力電流を増加させる。
図３は、実施形態の第２実施例における燃料電池システムの動作の一例を示す図である。
図３では、横軸に時間が取られており、燃料電池スタック６の出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転において、原料流量の時間変化を表すグラフの一例と、燃料電池スタック６の出力電流の時間変化を表すグラフの一例と、燃料電池スタック６の燃料利用率の時間変化を表す燃料利用率グラフ２００の一例と、が示されている。
なお、図３中のグラフはそれぞれ、上記の原料流量、出力電流および燃料利用率のそれぞれの変化の傾向を模式的に示したものであって、これらの正確な変化を表しているわけではない。
ここで、第１実施例（図２）のＳＯＦＣシステム１００では、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３のそれぞれにおける原料流量の増分ｆ１、ｆ２、ｆ３は同じ値に設定されているが（つまり、ｆ１＝ｆ２＝ｆ３）、本実施例のＳＯＦＣシステム１００では、燃料電池スタック６の出力が高出力側ほど原料流量の増分ｆ１、ｆ２、ｆ３が小さくなるように設定されている（つまり、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３）。また、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３のそれぞれにおける燃料電池スタック６の出力電流の増分ａ１、ａ２、ａ３は同じ値に設定されているが（つまり、ａ１＝ａ２＝ａ３）、これに限定されない。
これに対して、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３は、同じ値に設定してもよいし（つまり、ｓ１＝ｓ２＝ｓ３）、第１実施例と如く、燃料電池スタック６の出力が高出力側ほど長くなるように設定しもよい（つまり、ｓ１＜ｓ２＜ｓ３）。本実施例のＳＯＦＣシステム１００では、第１実施例と同様、燃料電池スタック６の出力が高出力側ほど長くなるように設定している（つまり、ｓ１＜ｓ２＜ｓ３）。
従って、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３から選ばれた２つのサブ期間ｓ１、ｓ２のそれぞれにおける、原料流量の増分ｆ１、ｆ２とサブ期間ｓ１、ｓ２とから求まる２つの比率ｒ１、ｒ２（ｒ１＝ｆ１／ｓ１、ｒ２＝ｆ２／ｓ２）が、低出力側よりも高出力側が小さくなっている（つまり、ｒ１＞ｒ２）。
また、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３から選ばれた２つのサブ期間ｓ１、ｓ３のそれぞれにおける、原料流量の増分ｆ１、ｆ３とサブ期間ｓ１、ｓ３とから求まる２つの比率ｒ１、ｒ３（ｒ１＝ｆ１／ｓ１、ｒ３＝ｆ３／ｓ３）が、低出力側よりも高出力側が小さくなっている（つまり、ｒ１＞ｒ３）。
また、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３から選ばれた２つのサブ期間ｓ２、ｓ３のそれぞれにおける、原料流量の増分ｆ２、ｆ３とサブ期間ｓ２、ｓ３とから求まる２つの比率ｒ２、ｒ３（ｒ２＝ｆ２／ｓ２、ｒ３＝ｆ３／ｓ３）が、低出力側よりも高出力側が小さくなっている（つまり、ｒ２＞ｒ３）。
また、複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３のそれぞれにおける、原料流量の増分ｆ１、ｆ２、ｆ３とサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３とから求まる３つの比率ｒ１、ｒ２、ｒ３（ｒ１＝ｆ１／ｓ１、ｒ２＝ｆ２／ｓ２、ｒ３＝ｆ３／ｓ３）は、燃料電池スタック６の出力が高出力側ほど小さくなっている（つまり、ｒ１＞ｒ２＞ｒ３）。
燃料電池スタック６の出力が低出力であるときは、燃料電池スタック６から出力される電流Ｃ１および原料（例えば、都市ガス）の流量Ｆ１はそれぞれ、例えば、約２Ａ程度および約０．９Ｌ／ｍｉｎ程度に設定される。そして、この場合、ＳＯＦＣシステム１００で熱自立運転を行う観点から、燃料電池スタック６の燃料利用率を低い値（例えば、約３５％程度）に維持している。
この状態で、燃料電池スタック６の出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転が行われる場合、まず、原料流量が増加するタイミングＴ１で、原料流量が、所定時間（例えば、例えば３秒〜１０秒程度）で流量Ｆ１から流量Ｆ２まで増加する（増分ｆ１）。これにより、燃料利用率グラフ２００は、原料流量が増加するに連れて下降する傾向を示す。
その後、サブ期間ｓ１の間で（例えば、上記のタイミングＴ１から一定時間経過後のサブ期間ｓ１内で）、燃料電池スタック６の出力電流が、電流Ｃ１からＣ２に上昇する。このとき、燃料利用率グラフ２００は、燃料電池スタック６の出力電流が増加するに連れて、タイミングＴ１以前の燃料利用率より上回るように上昇する傾向を示す。
次に、原料流量が増加するタイミングＴ２で、原料流量が、所定時間（例えば、例えば３秒〜１０秒程度）で流量Ｆ２から流量Ｆ３まで増加する（増分ｆ２：但し、増分ｆ１＞増分ｆ２）。これにより、燃料利用率グラフ２００は、原料流量が増加するに連れて下降する傾向を示す。
その後、サブ期間ｓ１より長いサブ期間ｓ２の間で（例えば、上記のタイミングＴ２から一定時間経過後のサブ期間ｓ２内で）、燃料電池スタック６の出力電流が、電流Ｃ２からＣ３に上昇する。このとき、燃料利用率グラフ２００は、燃料電池スタック６の出力電流が増加するに連れて、タイミングＴ２以前の燃料利用率より上回るように上昇する傾向を示す。
次に、原料流量が増加するタイミングＴ３で、原料流量が、所定時間（例えば、例えば３秒〜１０秒程度）で流量Ｆ３から流量Ｆ４まで増加する（増分ｆ３：但し、増分ｆ２＞増分ｆ３）。これにより、燃料利用率グラフ２００は、原料流量が増加するに連れて下降する傾向を示す。
その後、サブ期間ｓ２より長いサブ期間ｓ３の間で（例えば、上記のタイミングＴ３から一定時間経過後のサブ期間ｓ３内で）、燃料電池スタック６の出力電流が、電流Ｃ３からＣ４に上昇する。このとき、燃料利用率グラフ２００は、燃料電池スタック６の出力電流が増加するに連れて、タイミングＴ３以前の燃料利用率より上回るように上昇する傾向を示す。
このようにして、燃料電池スタック６の出力が高出力であるときは、燃料電池スタック６から出力される電流Ｃ４および原料（例えば、都市ガス）の流量Ｆ４はそれぞれ、例えば、約７Ａ程度および約２．０Ｌ／ｍｉｎ程度に設定される。そして、この場合、ＳＯＦＣシステム１００で高効率運転を行う観点から、燃料電池スタック６の燃料利用率が高い値（例えば、約７５％程度）にまで到達している。
以上のとおり、本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、燃料電池スタック６の出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転における、上記の複数のサブ期間ｓ１、ｓ２、ｓ３のそれぞれにおいて、制御器４０は、原料流量を増加させるとともに、燃料電池スタック６の出力電流を増加させている。これにより、本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、燃料電池スタック６の出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転において、燃料電池スタック６の燃料利用率を適切に上げることができる。
このとき、仮に、燃料電池スタック６の出力が高出力側ほど原料流量の増分を大きくする場合（つまり、ｆ１＜ｆ２＜ｆ３）、燃焼器２０で失火が高出力側ほど起こりやすくなる。
この理由を、図１の燃焼器２０の構成を参照しながら説明する。
図１の燃焼器２０の如く、アノードオフガス噴出孔２１から噴出したアノードオフガスと、第１カソードオフガス通過領域２３および第２カソードオフガス通過領域３０を通過したカソードオフガスとが燃焼空間２５において拡散燃焼する場合、燃料電池スタック６の出力が高出力側ほど原料流量の増分を大きくすることは、アノードオフガス噴出孔２１から噴出するアノードオフガスの流速が高出力側ほど速くなることを意味する。すると、上記のとおり、燃料電池スタック６の出力が高出力側では、通常設定の燃料利用率と限界の燃料利用率との間の差が小さいので、かかるアノードオフガス噴出孔２１におけるアノードオフガスの流速アップの悪影響（例えば、燃焼空間２５における火炎の浮き上がり、火炎の吹き飛びなど）により、燃焼器２０で失火が起こりやすくなる。
しかし、本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、燃料電池スタック６の出力が高出力側ほど原料流量の増分を小さくすることで（つまり、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３）、上記の不都合を緩和できるので、燃焼器２０で失火が起こる可能性を低減できる。
また、上記のとおり、燃料電池スタック６の出力が低出力側では、通常設定の燃料利用率と限界の燃料利用率との間の差が大きいので、原料流量の低出力側の増分が、原料流量の高出力側の増分よりも大きくなった場合でも、燃焼器２０で失火が起こる可能性が低い。よって、本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、原料流量の低出力側の増分を原料流量の高出力側の増分より大きくすることで、そのようにしない場合に比べて、原料流量を速やかに増加できる。
なお、上記のサブ期間ｓ１−ｓ３、原料流量Ｆ１−Ｆ４、電流Ｃ１−Ｃ４および燃料利用率などは例示であって、本例に限定されない。
例えば、上記では、３つのサブ期間ｓ１−ｓ３が設けられているが、これに限定されない。このようなサブ期間は、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。また、上記では、電流Ｃ１−Ｃ４の増分ａ１−ａ３を同じ値に設定したが、これらをサブ期間ｓ１−ｓ３毎に変化させてもよい。
本実施例のＳＯＦＣシステム１００は、上記の特徴以外は、実施形態または第１実施例のＳＯＦＣシステム１００と同様であってもよい。
実施形態、実施形態の第１実施例および実施形態の第２実施例は、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。
また、上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および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、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃焼器における燃焼状態を安定に維持しながら、燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転を従来よりも適切に行い得る燃料電池システムに利用することができる。
２ ：改質器
２Ａ ：内壁
２Ｂ ：外壁
２Ｄ ：下板部材
２Ｅ ：改質触媒
２Ｕ ：上板部材
４ ：蒸発器
４Ａ ：内壁
４Ｂ ：外壁
４Ｃ ：流路部材
４Ｄ ：下板部材
４Ｅ ：底部
５ ：空気供給経路
６ ：燃料電池スタック
７ ：空気熱交換器
１１ ：アノードオフガス排出経路
１３ ：燃料ガス供給経路
１４ ：混合ガス供給経路
１６ ：折り返し部
１７ ：折り返し部
２０ ：燃焼器
２１ ：アノードオフガス噴出孔
２２ ：アノードオフガス集合部
２２Ｔ ：テーパ面
２３ ：第１カソードオフガス通過領域
２５ ：燃焼空間
３０ ：第２カソードオフガス通過領域
４０ ：制御器
４１ ：原料供給器
５０Ａ ：上部領域
５０Ｂ ：下部領域
５１ ：隔壁部
５２ ：上壁
５３ ：外壁
５４ ：内壁
１００ ：ＳＯＦＣシステム

Claims (7)

  1. 燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、
    原料を改質することで前記燃料ガスを生成する改質器と、
    前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、
    前記燃料電池スタックのアノードから排出されたアノードオフガスを燃焼する燃焼器と、
    前記燃料電池スタックの出力が低出力から高出力に移行する負荷追従運転の期間を、ｎ個のサブ期間（ｓ１、ｓ２、・・・、ｓｎ：ｎは自然数)に区分し、前記ｎ個のサブ期間それぞれにおける前記原料の流量の増分をｆ１、ｆ２、・・・、ｆｎ（ｎは自然数）とし、前記ｎ個のサブ期間から選ばれたサブ期間（ｓｘ）に対応する前記原料の流量の増分（ｆｘ）と前記サブ期間（ｓｘ）とから求まるｎ個の比率をｒｘ（ｒｘ＝ｆｘ／ｓｘ：ｘは１≦ｘ≦ｎで示される自然数）とし、前記ｎ個の比率から選ばれた２つの比率のうち、前記低出力側を第１比率、前記高出力側を第２比率と定義するとき、前記第２比率が前記第１比率よりも小さくなるように前記原料供給器を制御する制御器と、を備える燃料電池システム。
  2. 前記制御器は、前記原料供給器を制御して、前記ｎ個の比率をｒ１＞ｒ２＞・・・＞ｒｎとする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御器は、前記原料供給器を制御して、前記ｎ個のサブ期間の長さをｓ１＜ｓ２・・・＜ｓｎとする請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御器は、前記サブ期間のそれぞれにおいて、前記燃料電池スタックの出力電流を増加させる請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御器は、前記原料供給器を制御して、前記ｎ個の原料の流量の増分をｆ１＞ｆ２・・・＞ｆｎとする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御器は、前記サブ期間のそれぞれにおいて、前記燃料電池スタックの出力電流を増加させる請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池スタックである請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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