JP6460320B2 - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池システムに関し、特に、原燃料ガスを水蒸気改質して得られた水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物形燃料電池システムに関する。

固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガス（水素）を供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。

このように固体酸化物形燃料電池は比較的高温で動作する燃料電池であり、その発電運転中の燃料電池セルの温度は約７００〜１０００℃にも達する。このように高温で運転されていた固体酸化物形燃料電池を停止させた際には、燃料電池セルの温度は約７００〜１０００℃の高温から長時間をかけて常温まで低下される。固体酸化物形燃料電池による発電が停止され、燃料電池セルの燃料極側への燃料ガスの供給が停止されると、停止後も依然として高温状態にある燃料電池セルの燃料極層に、外部から侵入した空気が接触し、燃料極層が雰囲気酸化されるリスクがある。

特許第４９０６２４２号（特許文献１）には、燃料電池の稼働停止方法が記載されている。ここに記載されている燃料電池は、燃料電池モジュール内に複数の燃料電池セルが配置され、その上方に原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器が配置されている。この燃料電池の発電運転中においては、各燃料電池セルの下端から原燃料ガスを改質した燃料ガス（水素）が供給され、発電に使用されずに残った燃料ガス（オフガス）が各燃料電池セルの上端において燃焼される。このオフガスの燃焼により、上方に配置された改質器が加熱され、改質器内における水蒸気改質反応が維持される。

特許第４９０６２４２号に記載されている燃料電池の稼働停止方法においては、発電運転停止後も、供給量を減じた状態で原燃料ガスの供給が継続され、改質器内では水蒸気改質反応により水素が生成される。このように、特許第４９０６２４２号記載の稼働停止方法では、発電運転停止後も原燃料ガスの供給が継続され、各燃料電池セルの燃料極側には水素が供給され続けるため、燃料極側に空気が逆流することがなく、燃料極層の雰囲気酸化を防止することができる。

しかしながら、特許第４９０６２４２号記載の稼働停止方法では、発電運転停止後も燃料供給が継続されると共に、原燃料ガスを改質するためにオフガスの燃焼も継続されるため、発電運転停止後、燃料電池モジュール内の温度が低下するまでの時間が長くなるという問題がある。一方、発電運転中においては、燃料電池セルの所定の作動温度を維持する必要があり、燃料電池モジュールの断熱性は高く設計することが好ましい。ところが、特許第４９０６２４２号記載の稼働停止方法を採用した場合には、燃料電池モジュールの断熱性を高く設計すると、発電運転停止後、燃料電池モジュール内の温度が低下するまでに極めて長い時間を要することとなる。この結果、発電運転停止後に浪費される原燃料ガスが多くなると共に、温度低下に時間を要するため、燃料電池のメンテナンス性も悪くなる。従って、特許第４９０６２４２号記載の稼働停止方法を採用した場合には、燃料電池モジュールの断熱性を高く設計することは困難である。燃料電池モジュールの断熱性を低く設計すると、発電運転中において燃料電池セルの作動温度を維持するために消費される燃料が多くなり、総合的なエネルギー効率が低下するという問題がある。

一方、特許第５３１６８３０号（特許文献２）には、固体酸化物形燃料電池が記載されている。この固体酸化物形燃料電池においては、発電運転停止直後の燃料電池モジュール内の状態を整えることにより、燃料極の雰囲気酸化を防止することに成功している。即ち、この固体酸化物形燃料電池においては、発電運転停止と共に原燃料ガスの供給も停止させるシャットダウン停止を実行しながら、燃料電池モジュール内の各燃料電池セルが実質的に雰囲気酸化されない温度に低下するまで、各燃料電池セルの燃料極側を水素雰囲気に維持することに成功している。このため、特許第５３１６８３０号記載の固体酸化物形燃料電池においては、燃料電池モジュールの断熱性を高く設計することが可能であり、総合的なエネルギー効率も向上させることができる。

特許第４９０６２４２号 特許第５３１６８３０号

しかしながら、シャットダウン停止を実行した場合には、燃料電池セルは、シャットダウン停止後、燃料極に酸化が発生し得る温度雰囲気中に長時間放置されるため、空気極側から燃料極側への極微量の空気の逆流をも完全に回避することは困難である。即ち、特許第４９０６２４２号に記載されているような燃料電池の稼働停止方法では、発電運転終了後（燃料電池モジュールからの電力の取り出しを停止した後）にも燃料供給が継続され、改質された水素ガスが燃料極側に供給され続けるため、燃料極側を継続的に水素雰囲気に維持することができる。これに対して、シャットダウン停止では、燃料電池モジュールからの電力の取り出しを停止すると共に燃料供給も停止されるため、シャットダウン停止時において改質器から燃料電池セルの燃料極側に残留していた水素ガスも少しずつ空気極側に流出してしまい、かつ改質器から燃料電池セルの燃料極側の温度低下に伴う体積収縮により圧力も次第に低下する。このため、シャットダウン停止を実行した場合には、燃料極に酸化が発生し得る温度帯域において、極微量の空気の逆流をも完全に阻止することは難しい、という問題がある。このような極微量の空気による燃料極の酸化は、直ちに燃料電池セルの性能を低下させるものではないが、シャットダウン停止が多数回繰り返された場合に微少な酸化の影響が燃料極に蓄積され、燃料電池セルの性能を低下させ、燃料極の損傷に至る場合もある。

従って、本発明は、シャットダウン停止を実行しながら、燃料極側に逆流した微量の空気による酸化の悪影響を十分に抑制することができる固体酸化物形燃料電池システム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、原燃料ガスを水蒸気改質して得られた水素ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物形燃料電池システムであって、燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールからの熱の発散を抑制する断熱材と、燃料電池セルの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、燃料電池セルの燃料極側に供給する水素ガスを水蒸気改質により生成する改質部と、この改質部に原燃料ガスを供給する燃料供給装置と、改質部における水蒸気改質に使用する水蒸気を生成する蒸発部と、この蒸発部に水を供給する水供給装置と、改質部を加熱するように、燃料電池セルの一端から供給され、他端から流出した原燃料ガス又は水素ガスを燃焼させる燃焼部と、燃料電池モジュールからの電力の取り出し及び原燃料ガスの供給を停止させると共に、燃焼部における燃焼を停止させるシャットダウン停止を実行するようにプログラムされたコントローラと、を有し、コントローラは、シャットダウン停止後、燃料電池モジュール内の温度が低下している間に発生する燃料極の酸化を抑制する酸化抑制制御回路を有し、酸化抑制制御回路は、シャットダウン停止後において、燃料電池セルへの原燃料ガス又は水素ガスの供給を行うことなく、燃料電池モジュール内の温度を低下させる第１温度降下工程、この第１温度降下工程が実行される第１温度帯域よりも低い第２温度帯域において、燃焼部内で原燃料ガス又は水素ガスを燃焼させることなく、第１温度降下工程とは異なる方法で燃料電池モジュール内の温度を低下させる第２温度降下工程、及び改質部において生成された水素ガス又は改質部以外の外部の水素供給経路から供給された水素ガスを燃料極に供給することにより、燃料極に発生した僅かな酸化を還元処理する燃料極還元処理工程、を実行するようにプログラムされており、酸化抑制制御回路は、上記各工程を、第１温度降下工程、燃料極還元処理工程、第２温度降下工程の順に実行し、燃料極還元処理工程は、第１温度降下工程及び第２温度降下工程よりも短い時間実行され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、燃料供給装置から供給された原燃料ガスが改質部において水蒸気改質され、生成された水素ガスと、酸化剤ガス供給装置により供給された酸化剤ガスが、燃料電池モジュールに収容された燃料電池セルにおいて反応され、電力が生成される。水供給装置により供給された水は、蒸発部において蒸発され、水蒸気となって改質部における水蒸気改質に使用される。また、燃料電池セルの一端から供給され、他端から流出した原燃料ガス又は水素ガスは、燃焼部において燃焼され、改質部が加熱される。コントローラは、燃料電池モジュールからの電力の取り出し及び原燃料ガスの供給を停止させると共に、燃焼部における燃焼を停止させるシャットダウン停止を実行するようにプログラムされている。また、コントローラは酸化抑制制御回路を有し、酸化抑制制御回路は、シャットダウン停止後において、第１温度降下工程、この第１温度降下工程よりも低い温度帯域において、原燃料ガス又は水素ガスを燃焼させることなく燃料電池モジュール内の温度を低下させる第２温度降下工程、及び燃料極に発生した僅かな酸化を還元処理する燃料極還元処理工程、を実行するようにプログラムされている。

従来のシャットダウン停止を行う燃料電池システムにおいては、シャットダウン停止後の酸化剤ガスの燃料極側への逆流を抑制する対策が講じられているが、極微量の酸化剤ガスの逆流をも完全に阻止することは困難である。このような極微量の空気による燃料極の酸化は、直ちに燃料電池セルの性能を低下させるものではないが、シャットダウン停止が多数回繰り返された場合に微少な酸化の影響が燃料極に蓄積され、燃料電池セルの性能を低下させる、という新たな課題が本件発明者により見出された。

上記のように構成された本発明によれば、シャットダウン停止後において、第１温度降下工程、第２温度降下工程、及び燃料極の僅かな酸化を還元処理する燃料極還元処理工程が実行される。これら第１、第２温度降下工程において、原燃料ガス又は水素ガスが燃焼されることはなく、燃料電池モジュールの断熱性を高く設計した場合においても、シャットダウン停止後、燃料電池モジュール内の温度を効果的に低下させることができる。また、シャットダウン停止後、燃料極還元処理工程が実行されるので、シャットダウン停止後に燃料極側に進入した微量の酸化剤ガスによる悪影響をも、効果的に軽減することができる。
また、このように構成された本発明によれば、燃料極還元処理工程は、第１温度降下工程中において侵入した微量の酸化剤ガスによる燃料極の酸化を還元すれば十分であるため、短時間で還元処理を行うことができる。また、燃料極還元処理工程は、第１温度降下工程後のある程度高温の状態で実行されるため、効果的に還元処理を行うことができると共に、燃料極還元処理工程終了後に侵入した酸化剤ガスにより、燃料極が再び酸化されるのを防止することもできる。

本発明において、好ましくは、さらに、燃焼部内の原燃料ガス又は水素ガスに着火する着火装置を有し、酸化抑制制御回路は、燃料極還元処理工程において、燃料供給装置を作動させると共に、着火装置により燃料電池セルから流出した原燃料ガス又は水素ガスに着火させ、これにより改質部を加熱して、水蒸気改質反応により水素ガスを生成する。

このように構成された本発明によれば、燃料極還元処理工程で供給される原燃料を燃焼させた熱を改質器に与えることにより、燃料極還元処理工程において使用する水素ガスを、専用の供給源を設けることなく高濃度の状態で得ることができる。また、燃料極還元処理工程は、第１温度降下工程後の比較的高温の状態で実行されるため、改質部を強く加熱することなく、水蒸気改質反応を発生させ、水素ガスを得ることができる。このため、比較的少量の原燃料ガスを供給するだけで水素ガスを生成することができる。また、燃料極還元処理工程においては、炭素析出させることなく水蒸気改質反応を発生させるために原燃料ガスの供給に先立ち水蒸気が供給されるが、水蒸気による酸化が発生した場合にも、生成された水素ガスにより、これを直ちに還元することができ、水蒸気による酸化の悪影響を回避することができる。

本発明において、好ましくは、酸化抑制制御回路は、燃料電池モジュール内の温度が所定の還元処理温度帯域内にあるように燃料極還元処理工程を実行し、還元処理温度帯域の最高温度はシャットダウン停止時における燃料電池モジュール内の温度よりも低く設定されている。

このように構成された本発明によれば、適切な温度帯域で燃料極還元処理工程を実行することで、燃料極に発生した微少な酸化を短時間で効果的に還元することができると共に、発電運転停止後の燃料電池モジュール内の温度が低下するまでの時間が過度に長くならないよう制御することができる。この結果、燃料極還元処理工程において供給する原燃料ガスの量を少なくすることができる。

本発明において、好ましくは、第１温度降下工程の終了時における燃料電池モジュール内の温度は、燃料極還元処理工程の後に開始される第２温度降下工程の開始時の温度よりも低い。

このように構成された本発明によれば、燃料極還元処理工程において、燃料電池モジュール内の温度を上昇させながら燃料極を還元することができるので、燃料極に発生した微少な酸化を短時間で効果的に還元することができる。

本発明において、好ましくは、第１温度降下工程は燃料電池モジュール内の温度が還元処理温度帯域内にあるとき終了し、その後実行される燃料極還元処理工程は、燃料電池モジュール内の温度が還元処理温度帯域の最高温度まで上昇したとき終了し、その後、第２温度降下工程が実行される。

このように構成された本発明によれば、燃料極還元処理工程の実行温度を最適化することができ、燃料極に発生した微少な酸化を短時間で確実に還元することができる。さらに、燃料極還元処理工程終了後に燃料極側に進入した酸化剤ガスによる再酸化を防止することができる。

本発明において、好ましくは、還元処理温度帯域は、燃料電池モジュール内の温度が４００℃以上、５２０℃以下の範囲内に設定されている。
このように構成された本発明によれば、還元処理温度帯域が燃料電池セルの温度で４００℃以上、５２０℃以下の範囲内に設定されるので、微少な酸化を確実に還元することができると共に、第２温度降下工程以降の燃料極の再酸化を確実に防止することができ、かつ、発電運転停止後、燃料電池モジュール内の温度が低下するまでの時間が過度に長くならないよう制御することができる。

本発明において、好ましくは、酸化抑制制御回路は、第１温度降下工程において、酸化剤ガス供給装置、燃料供給装置、及び水供給装置を停止させるようにプログラムされており、シャットダウン停止前に供給され、燃料電池セルの燃料極側に残留している水素ガスにより、燃料極の酸化を抑制する。

このように構成された本発明によれば、第１温度降下工程において酸化剤ガス、原燃料ガス、及び水の供給が停止されるので、ランニングコストを低減することができると共に、原燃料ガスの燃焼が停止されているため、燃料電池モジュール内の温度を速やかに低下させることができる。また、原燃料ガスの供給を停止することにより、燃料極側に微量の酸化剤ガスが侵入し、微少な酸化が発生したとしても、後続の燃料極還元処理工程により、これを速やかに還元することができる。

本発明において、好ましくは、酸化抑制制御回路は、燃料極還元処理工程の終了時において、燃料供給装置を一旦停止させることにより、燃焼部における燃焼を停止させ、その後、第２温度降下工程において、燃料供給装置を起動させるようにプログラムされており、燃料電池セルの燃料極側に供給される原燃料ガスにより燃料極の酸化が抑制される。

このように構成された本発明によれば、燃料極還元処理工程の終了時において燃料供給装置が一旦停止されるので、燃焼部における燃焼が停止し、すなわち失火して温度が低下し、その後は原燃料が供給されても自然着火することなく、その後は燃焼熱が発生しなくなる。この結果、燃料電池モジュールが、断熱性が高く構成されていても、温度降下に要する時間が過度に長くなることがない。さらに、燃焼が停止された後の第２温度降下工程において、燃料極側に原燃料ガスが供給されるので、各燃料電池セルの燃料極側の圧力を高く維持することができ、各燃料電池セルの酸化剤ガス極側から燃料極側への酸化剤ガスの逆流を、確実に防止することができる。これにより、燃料極の酸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、酸化抑制制御回路は、第２温度降下工程において、酸化剤ガス供給装置を作動させ、燃料電池セルの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する。

このように構成された本発明によれば、第２温度降下工程においては、各燃料電池セルの燃料極側に原燃料ガスが供給される一方、酸化剤ガス極側には酸化剤ガスが供給されるので、酸化剤ガスが逆流するリスクを確実に回避しながら、燃料電池セルの温度を迅速に降下させることができる。これにより、固体酸化物形燃料電池システムを迅速に停止させることができる。

本発明の固体酸化物形燃料電池システムによれば、シャットダウン停止を実行しながら、燃料極側に逆流した微量の空気による酸化の悪影響を十分に抑制することができる。

本発明の一実施形態による燃料電池システム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システム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システムの燃料電池セルユニットを示す（ａ）部分断面図及び（ｂ）横断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池システム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システム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システムの起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例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システムにおいて、シャットダウン停止が実行された場合の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による燃料電池システムにおいて、シャットダウン停止が実行された場合の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による燃料電池システムにおける停止挙動の一例を模式的に時系列で表した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システムの停止挙動において、シャットダウン停止直後を拡大して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システムの停止挙動において、燃料極還元処理工程の部分を拡大して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システムにおいて、停止工程が実行された場合における制御、燃料電池モジュール内の温度、圧力、及び燃料電池セルユニットの先端部の状態を時系列で説明するための図である。 従来の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、シャットダウン停止が実行された場合における燃料電池モジュール内の温度、圧力、及び燃料電池セルユニットの先端部の状態を時系列で説明するための図である。

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形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムを説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム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形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム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を介して金属製のケース８が内蔵されている。この密閉空間であるケース８の下方部分である発電室１０には、燃料（水素）と酸化剤ガス（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１６を有し、これらの燃料電池セル１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール２のケース８の上述した発電室１０の上方には、燃焼部である燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されずに残った残余の燃料（オフガス）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。さらに、ケース８は断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。
また、この燃焼室１８の上方には、原燃料ガスを改質する改質部である改質器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、残余ガスの燃焼ガスにより発電用の空気を加熱し、発電用の空気を予熱する熱交換器である空気用熱交換器２２が配置されている。

次に、補機ユニット４は、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる水分を結露させた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から供給された原燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、原燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、原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）と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット３８から流出する原燃料ガスを遮断するバルブ３９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ガス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、排気ガスを浄化するための燃焼触媒が内蔵された燃焼触媒器４９が接続され、この燃焼触媒器４９により浄化された排気ガスが温水製造装置５０に供給されるようになっている。また、燃焼触媒器４９には、触媒を活性温度に加熱する触媒ヒーター４９ａが内蔵されている。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形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム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形燃料電池（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線に沿ってとられた断面図である。
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内のケース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、その上流端側の端部側面に純水、改質される原燃料ガス、及び改質用空気を導入するための改質器導入管６２が取り付けられている。
改質器導入管６２は、改質器２０の一端の側壁面から延びる円管であり、９０゜屈曲されて概ね鉛直方向に延び、ケース８の上端面を貫通している。なお、改質器導入管６２は、改質器２０に水を導入する水導入管として機能している。また、改質器導入管６２の上端には、Ｔ字管６２ａが接続されており、このＴ字管６２ａの概ね水平方向に延びる管の両側の端部には、原燃料ガス及び純水を供給するための配管が夫々接続されている。水供給用配管６３ａはＴ字管６２ａの一方の側端から斜め上方に向けて延びている。燃料ガス供給用配管６３ｂはＴ字管６２ａの他方の側端から水平方向に延びた後、Ｕ字型に屈曲され、水供給用配管６３ａと同様の方向に、概ね水平に延びている。

一方、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａ、混合部２０ｂ、改質部２０ｃが形成され、この改質部２０ｃ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）が混合された原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。また、燃料ガス供給管６４の鉛直部の途中には、流路が狭められた圧力変動抑制用流路抵抗部６４ｃが設けられ、燃料ガスの供給流路の流路抵抗が調整されている。流路抵抗の調整については後述する。

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１６内に供給される。

一方、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。
また、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着火装置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１６について説明する。図４（ａ）は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの燃料電池セルを示す部分断面図である。図４（ｂ）は、燃料電池セルの部分横断面図である。
図４（ａ）に示すように、燃料電池セル１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子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との間にある固体電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガス（水素）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８４の第１の端部である下端側と第２の端部である上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、固体電解質層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細管９８が形成されている。

この燃料ガス流路細管９８は、内側電極端子８６の中心から燃料電池セル８４の軸線方向に延びるように設けられた細長い絞り部である。このため、マニホールド６６（図２）から、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃料ガス流路８８に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路８８から、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃焼室１８（図２）に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。

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。

固体電解質層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４（ｂ）を参照して、燃料電池セル８４の構造を詳細に説明する。
図４（ｂ）に示すように、内側電極層９０は、燃料極層を構成する第１燃料極９０ｄと第２燃料極９０ｅから構成されており、さらに燃料極保護層９０ｆを第１燃料極９０ｄと第２燃料極９０ｅの間に含んでいる。また、外側電極層９２は、酸化剤ガス極層である空気極９２ａと集電層９２ｂから構成されている。

本実施形態においては、第１燃料極９０ｄは、Ｎｉ／ＹＳＺからなり、Ｎｉと、ＹをドープしたジルコニアであるＹＳＺとの混合物を円筒状に焼成することにより形成されている。燃料極保護層９０ｆは、ストロンチウムジルコネートとニッケルの混合物（Ｎｉ／ＳｒＺｒＯ_３）からなり、第１燃料極９０ｄ及び第２燃料極９０ｅよりも薄い厚みで形成された薄膜である。第２燃料極９０ｅは、Ｎｉ／ＧＤＣであり、Ｎｉと、ＧｄをドープしたセリアであるＧＤＣとの混合物を、燃料極保護層９０ｆの外側に成膜することにより形成されている。

また、本実施形態においては、固体電解質層９４は、Ｓｒ及びＭｇをドープしたランタンガレートであるＬＳＧＭを第２燃料極９０ｅの外側に積層することにより形成されている。このように形成された成形体を焼成することにより焼成体を構成した。

また、本実施形態においては、空気極９２ａは、この焼成体の外側に、Ｓｒ及びＦｅをドープしたランタンコバルタイトであるＬＳＣＦを成膜することにより形成されている。集電層９２ｂは、空気極９２ａの外側に、Ａｇ層を形成することにより構成されている。

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形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム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１６を備え、これらの燃料電池セル１６は、８本ずつ２列に並べて配置されている。各燃料電池セル１６は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板６８（図２）により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セル１６が４本ずつ、概ね正方形の２枚の上支持板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がそれぞれ形成されている。

さらに、燃料電池セル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の外周面と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セル１６の外側電極層９２（空気極）の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部１０２ｂが接触することにより、集電体１０２は空気極全体と電気的に接続される。

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）に位置する燃料電池セル１６の空気極８６には、２つの外部端子１０４がそれぞれ接続されている。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１６の内側電極端子８６に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セル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形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム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形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムを示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物形燃料電池システム１は、コントローラである制御部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。また、制御部１１０には、マイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム（以上、図示せず）が内蔵されており、これらにより、各センサからの入力信号に基づいて、補機ユニット４、インバータ５４等が制御される。

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、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム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、酸化剤ガス供給装置である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。

図２及び図３に示すように、空気用熱交換器２２は、複数の燃焼ガス配管７０と発電用空気流路７２と、を有する。また、図２に示すように、複数の燃焼ガス配管７０の一方の端部には、排気ガス集約室７８が設けられており、この排気ガス集約室７８は、各燃焼ガス配管７０に連通されている。また、排気ガス集約室７８には、排気ガス排出管８２が接続されている。さらに、各燃焼ガス配管７０の他方の端部は開放されており、この開放された端部は、ケース８の上面に形成された連通開口８ａを介して、ケース８内の燃焼室１８に連通されている。

燃焼ガス配管７０は、水平方向に向けられた複数の金属製の円管であり、各円管は夫々平行に配置されている。一方、発電用空気流路７２は、各燃焼ガス配管７０の外側の空間によって構成されている。また、発電用空気流路７２の、排気ガス排出管８２側の端部には、発電用空気導入管７４が接続されており、燃料電池モジュール２の外部の空気が、発電用空気導入管７４を通って発電用空気流路７２に導入される。なお、発電用空気導入管７４は、排気ガス排出管８２と平行に、空気用熱交換器２２から水平方向に突出している。さらに、発電用空気流路７２の他方の端部の両側面には、一対の連絡流路７６（図３）が接続されており、発電用空気流路７２と各連絡流路７６は、夫々、出口ポート７６ａを介して連通されている。

図３に示すように、ケース８の両側面には、発電用空気供給路７７が夫々設けられている。空気用熱交換器２２の両側面に設けられた各連絡流路７６は、ケース８の両側面に設けられた発電用空気供給路７７の上部に夫々連通されている。また、各発電用空気供給路７７の下部には、多数の吹出口７７ａが水平方向に並べて設けられている。各発電用空気供給路７７を通って供給された発電用の空気は、多数の吹出口７７ａから、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルスタック１４の下部側面に向けて噴射される。

また、ケース８内部の天井面には、隔壁である整流板２１が取り付けられており、この整流板２１には開口部２１ａが設けられている。
整流板２１は、ケース８の天井面と改質器２０の間に、水平に配置された板材である。この整流板２１は、燃焼室１８から上方に流れる気体の流れを整え、空気用熱交換器２２の入り口（図２の連通開口８ａ）に導くように構成されている。燃焼室１８から上方へ向かう発電用空気及び燃焼ガスは、整流板２１の中央に設けられた開口部２１ａを通って整流板２１の上側に流入し、整流板２１の上面とケース８の天井面の間の排気通路２１ｂを図２における左方向に流れ、空気用熱交換器２２の入り口に導かれる。また、開口部２１ａは、改質器２０の改質部２０ｃの上方に設けられており、開口部２１ａを通って上昇した気体は、蒸発部２０ａとは反対側の、図２における左側の排気通路２１ｂに流れる。このため、蒸発部２０ａの上方の空間（図２における右側）は、改質部２０ｃの上方の空間よりも排気の流れが遅く、排気の流れが淀む気体滞留空間２１ｃとして作用する。

また、整流板２１の開口部２１ａの縁には、全周に亘って縦壁２１ｄが設けられており、この縦壁２１ｄにより、整流板２１の下側の空間から整流板２１の上側の排気通路２１ｂに流入する流路が狭められている。さらに、排気通路２１ｂと空気用熱交換器２２を連通させる連通開口８ａの縁にも、全周に亘って下がり壁８ｂ（図２）が設けられており、この下がり壁８ｂにより、排気通路２１ｂから空気用熱交換器２２に流入する流路が狭められている。これらの縦壁２１ｄ、下がり壁８ｂを設けることにより、燃焼室１８から空気用熱交換器２２を通って燃料電池モジュール２の外部に至る排気の通路における流路抵抗が調整されている。流路抵抗の調整については後述する。

次に、固体酸化物形燃料電池システム１の発電運転時における燃料、発電用空気、及び排気ガスの流れを説明する。
まず、原燃料ガスは、燃料ガス供給用配管６３ｂ、Ｔ字管６２ａ、改質器導入管６２を介して改質器２０の蒸発部２０ａに導入されると共に、純水は、水供給用配管６３ａ、Ｔ字管６２ａ、改質器導入管６２を介して蒸発部２０ａに導入される。従って、供給された原燃料ガス及び水はＴ字管６２ａにおいて合流され、改質器導入管６２を通って蒸発部２０ａに導入される。発電運転中においては、蒸発部２０ａは高温に加熱されているため、蒸発部２０ａに導入された純水は、比較的速やかに蒸発され水蒸気となる。蒸発された水蒸気及び原燃料ガスは、混合部２０ｂ内で混合され、改質器２０の改質部２０ｃに流入する。水蒸気と共に改質部２０ｃに導入された原燃料ガスは、ここで水蒸気改質され、水素を豊富に含む燃料ガスに改質される。改質部２０ｃにおいて改質された燃料は、燃料ガス供給管６４を通って下方に下り、分散室であるマニホールド６６に流入する。

マニホールド６６は、燃料電池セルスタック１４の下側に配置された比較的体積の大きい直方体状の空間であり、その上面に設けられた多数の穴が燃料電池セルスタック１４を構成する各燃料電池セル１６の内側に連通している。マニホールド６６に導入された燃料は、その上面に設けられた多数の穴を通って、燃料電池セル１６の燃料極側、即ち、燃料電池セル１６の内部を通って、その上端から流出する。また、燃料である水素ガスが燃料電池セル１６の内部を通過する際、空気極（酸化剤ガス極）である燃料電池セル１６の外側を通る空気中の酸素と反応して電荷が生成される。この発電に使用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セル１６の上端から流出し、燃料電池セルスタック１４の上方に設けられた燃焼室１８内で燃焼される。

一方、酸化剤ガスである発電用の空気は、酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット４５によって、発電用空気導入管７４を介して燃料電池モジュール２内に送り込まれる。燃料電池モジュール２内に送り込まれた空気は、発電用空気導入管７４を介して空気用熱交換器２２の発電用空気流路７２に導入され、予熱される。予熱された空気は、各出口ポート７６ａ（図３）を介して各連絡流路７６に流出する。各連絡流路７６に流入した発電用の空気は、燃料電池モジュール２の両側面に設けられた発電用空気供給路７７を通って下方に流れ、多数の吹出口７７ａから、燃料電池セルスタック１４に向けて発電室１０内に噴射される。

発電室１０内に噴射された空気は、燃料電池セルスタック１４の空気極側（酸化剤ガス極側）である各燃料電池セル１６の外側面に接触し、空気中の酸素の一部が発電に利用される。また、吹出口７７ａを介して発電室１０の下部に噴射された空気は、発電に利用されながら発電室１０内を上昇する。発電室１０内を上昇した空気は、各燃料電池セル１６の上端から流出する燃料を燃焼させる。この燃焼による燃焼熱は、燃料電池セルスタック１４の上方に配置された改質器２０の蒸発部２０ａ、混合部２０ｂ及び改質部２０ｃを加熱する。燃料が燃焼され、生成された燃焼ガスは、上方の改質器２０を加熱した後、改質器２０上方の開口部２１ａを通って整流板２１の上側に流入する。整流板２１の上側に流入した燃焼ガスは、整流板２１によって構成された排気通路２１ｂを通って空気用熱交換器２２の入り口である連通開口８ａに導かれる。連通開口８ａから空気用熱交換器２２に流入した燃焼ガスは、開放された各燃焼ガス配管７０の端部に流入し、各燃焼ガス配管７０外側の発電用空気流路７２を流れる発電用空気との間で熱交換を行い、排気ガス集約室７８に集約される。排気ガス集約室７８に集約された排気ガスは、排気ガス排出管８２を介して燃料電池モジュール２の外部に排出される。これにより、蒸発部２０ａにおける水の蒸発、及び改質部２０ｃにおける吸熱反応である水蒸気改質反応が促進されると共に、空気用熱交換器２２内の発電用空気が予熱される。また、燃料電池モジュール２から排出された排気ガスは燃焼触媒器４９に流入し、ここで一酸化炭素等の有害な成分が除去され、温水製造装置５０に送られる。

次に、図７を新たに参照して、固体酸化物形燃料電池システム１の起動工程における制御を説明する。
図７は、起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。なお、図７の縦軸の目盛りは温度を示しており、燃料等の各供給量は、それらの増減を概略的に示したものである。

図７に示す起動工程においては、常温の状態にある燃料電池セルスタック１４の温度を、発電が可能な温度まで上昇させる。
まず、図７の時刻ｔ０において、発電用空気及び改質用空気の供給が開始される。具体的には、コントローラである制御部１１０が、酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送って、これを作動させる。上述したように、発電用空気は、発電用空気導入管７４を介して燃料電池モジュール２内に導入され、空気用熱交換器２２、発電用空気供給路７７を経て発電室１０内に流入する。また、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送って、これを作動させる。燃料電池モジュール２内に導入された改質用空気は、改質器２０、マニホールド６６を経て、各燃料電池セル１６の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻ｔ０においては、まだ燃料が供給されていないため、改質器２０内において改質反応は発生しない。本実施形態においては、図７の時刻ｔ０において開始される発電用空気の供給量は約１００L/minであり、改質用空気の供給量は約１０．０L/minである。

次いで、図７の時刻ｔ０から所定時間後の時刻ｔ１において、原燃料ガスの供給が開始される。具体的には、制御部１１０が、燃料供給装置である燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、これを作動させる。本実施形態においては、時刻ｔ１において開始される原燃料ガスの供給量は約５．０L/minである。燃料電池モジュール２内に導入された燃料は、改質器２０、マニホールド６６を経て、各燃料電池セル１６の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻ｔ１においては、まだ改質器の温度が低温であるため、改質器２０内において改質反応は発生しない。

次に、図７の時刻ｔ１から所定時間経過した時刻ｔ２において、供給されている燃料への点火工程が開始される。具体的には、点火工程においては、制御部１１０が、点火手段である着火装置８３（図２）に信号を送り、各燃料電池セル１６の上端から流出する燃料に点火する。着火装置８３は、燃料電池セルスタック１４の上端近傍で繰り返し火花を発生させ、もしくはヒーター加熱することで各燃料電池セル１６の上端から流出する燃料に点火する。

図７の時刻ｔ３において着火が完了すると、改質用の水の供給が開始される。具体的には、制御部１１０が、水供給装置である水流量調整ユニット２８（図６）に信号を送り、これを作動させる。本実施形態においては、時刻ｔ３に開始される水の供給量は、２．０cc/minである。時刻ｔ３においては、燃料供給量は、従前の約５．０L/minに維持される。また、発電用空気及び改質用空気の供給量も、従前の値に維持される。

図７の時刻ｔ３において着火された後、供給された燃料は、各燃料電池セル１６の上端からオフガスとして流出し、ここで燃焼される。この燃焼熱は、燃料電池セルスタック１４の上方に配置された改質器２０を加熱する。

このようにして、改質器２０の温度が上昇した時刻ｔ４において、蒸発部２０ａを経て改質部２０ｂに流入した原燃料ガスと改質用空気が、式（１）に示す部分酸化改質反応を起こすようになる。
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋ｘＯ_２ → aＣＯ_２＋ｂＣＯ＋ｃＨ_２ （１）
この部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質部２０ｂ内で部分酸化改質反応が発生すると、その周囲の温度が局部的に急上昇する。

一方、本実施形態においては、着火が確認された直後の時刻ｔ３から改質用の水の供給が開始されており、また、蒸発部２０ａの温度が急速に上昇するように構成されているため、時刻ｔ４においては、既に蒸発部２０ａ内で水蒸気が生成され、改質部２０ｂに供給されている。即ち、オフガスに着火された後、改質部２０ｂの温度が部分酸化改質反応が発生する温度に到達する所定時間前から水の供給が開始され、部分酸化改質反応が発生する温度に到達した時点においては、蒸発部２０ａに所定量の水が貯留され、水蒸気が生成されている。このため、部分酸化改質反応の発生により温度が急上昇すると、改質部２０ｂに供給されている改質用の水蒸気と原燃料ガスが反応する水蒸気改質反応が発生する。この水蒸気改質反応は、式（２）に示す吸熱反応であり、部分酸化改質反応よりも高い温度で発生する。
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋ｘＨ_２Ｏ → aＣＯ_２＋ｂＣＯ＋ｃＨ_２ （２）

このように、図７の時刻ｔ４に到達すると、改質部２０ｂ内では部分酸化改質反応が発生するようになり、また、部分酸化改質反応が発生することによる温度上昇で、水蒸気改質反応も同時に発生するようになる。従って、時刻ｔ４以降に改質部２０ｂ内で発生する改質反応は、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在した式（３）に示すオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）となる。即ち、時刻ｔ４においてＡＴＲ１工程が開始される。
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋ｘＯ_２＋ｙＨ_２Ｏ → aＣＯ_２＋ｂＣＯ＋ｃＨ_２ （３）

次に、改質器温度センサ１４８による検出温度が約５００℃以上に到達すると、図７の時刻ｔ５において、ＡＴＲ１工程からＡＴＲ２工程に移行される。時刻ｔ５において、水供給量が２．０cc/minから３．０cc/minに変更される。また、燃料供給量、改質用空気供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。

さらに、図７の時刻ｔ６本実施形態において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約４００℃以上に到達すると、ＡＴＲ２工程からＡＴＲ３工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が５．０L/minから４．０L/minに変更され、改質用空気供給量が９．０L/minから６．５L/minに変更される。また、水供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。

さらに、図７の時刻ｔ７において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約５５０℃以上に到達すると、ＳＲ１工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が４．０L/minから３．０L/minに変更され、水供給量が３．０cc/minから７．０cc/minに変更される。また、改質用空気の供給は停止され、発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＳＲ１工程では、改質部２０ｂ内で専ら水蒸気改質が発生するようになる。図７の時刻ｔ７においては、改質器２０、燃料電池セルスタック１４とも、十分に温度が上昇しているので、改質部２０ｂにおいて部分酸化改質反応が発生していなくとも、水蒸気改質反応を安定して発生させることができる。

次に、図７の時刻ｔ８において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約６００℃以上に到達すると、ＳＲ２工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が３．０L/minから２．５L/minに変更され、水供給量が７．０cc/minから６．０cc/minに変更される。また、発電用空気供給量は従前の値が維持される。

さらに、ＳＲ２工程を所定時間実行した後、発電工程に移行する。発電工程においては、燃料電池セルスタック１４からインバータ５４（図６）に電力が取り出され、発電が開始される。なお、発電工程では、改質部２０ｂにおいて、専ら水蒸気改質により原燃料ガスが改質される。また、発電工程においては、燃料電池モジュール２に対して要求される出力電力に対応して、燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量が変更される。

次に、図１３を参照して、従来の固体酸化物形燃料電池システムにおけるシャットダウン停止処理を説明する。

まず、シャットダウン停止が行われると、原燃料ガスの供給、水の供給、及び発電用空気の供給が短時間に停止する。また、燃料電池モジュールからの電力の取り出しも停止する（出力電流＝０）。シャットダウン停止の後、燃料電池モジュールは、この状態で自然放置される。このため、各燃料電池セル内部の燃料極側に存在していた燃料は、外部の空気極側との圧力差に基づいて、空気極側に噴出される。また、各燃料電池セルの空気極側に存在していた空気（及び燃料極側から噴出した燃料）は、空気極側の圧力（発電室内の圧力）と大気圧との圧力差に基づいて、燃料電池モジュールの外部に排出される。従って、シャットダウン停止の後、各燃料電池セルの燃料極側及び空気極側の圧力は、自然に低下する。

しかしながら、各燃料電池セルの上端部に流路抵抗部の大きい細管である絞り部を設けることにより、燃料供給及び発電が停止された後の燃料極側の圧力低下が、空気極側の圧力低下よりも緩やかにされ、シャットダウン停止後も長時間に亘って燃料が残存するように構成されている。このように、従来の固体酸化物形燃料電池システムにおいても、シャットダウン停止の後自然放置された後、燃料極側の圧力が空気極側の圧力よりも高い圧力を維持しながら酸化抑制温度以下に低下され、燃料極が雰囲気酸化されるリスクが抑制されている。

なお、本明細書において、酸化抑制温度とは、燃料極が雰囲気酸化されるリスクが十分に低下される温度を意味している。燃料極が酸化されるリスクは、温度の低下と共に少しずつ減少して、やがてゼロになる。このため、燃料極の酸化が発生し得る最低の温度である酸化下限温度よりも少し高い温度帯域の酸化抑制温度であっても、燃料極酸化のリスクを十分に低減することができる。一般的な燃料電池セルにおいては、このような酸化抑制温度は３５０℃乃至４００℃程度であり、酸化下限温度は２５０℃乃至３００℃程度であると考えられる。

図１３は、従来の固体酸化物形燃料電池システムのシャットダウン停止後の動作を説明する図である。図１３の上段には燃料極側及び空気極側の圧力変化を模式的に表すグラフを示し、中段には制御動作及び燃料電池モジュール内の温度を時系列で示し、下段には各時点における燃料電池セルの上端部の状態を示している。

まず、図１３中段におけるシャットダウン停止の前は、通常の発電運転が行われている。この状態においては、燃料電池モジュール内の温度は６００〜７００℃程度である。また、図１３の下段（１）に示すように、燃料電池セル上端からは、発電に使用されずに残った燃料ガスが噴出しており、この噴出する燃料ガスは上端で燃焼される。次いで、シャットダウン停止により、原燃料ガス、改質用の水、発電用の空気の供給が停止されると、噴出する燃料ガスの流量が低下し、図１３の下段（２）に示すように、燃料電池セル先端の炎が消失する。

図１３の下段（３）に示すように、シャットダウン停止後、炎が消失された後も、燃料電池セルの内部（燃料極側）の圧力は、外部（空気極側）よりも高いため、燃料電池セルからの燃料ガスの噴出は継続される。また、図１３上段に示すように、シャットダウン停止直後において、燃料極側の圧力は各燃料電池セルの上端部に設けられた細管である絞り部構造の効果により空気極側の圧力よりも高く、各圧力は、この関係を維持したまま低下する。燃料極側と空気極側の圧力差は、シャットダウン停止の後、燃料ガスの噴出と共に低下する。燃料電池セルからの燃料ガスの噴出量は、燃料極側と空気極側の圧力差が低下するにつれて減少する（図１３の下段（４）（５））。

シャットダウン停止後、５乃至６時間程度経過し、燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度まで低下する頃には、各燃料電池セルの燃料極側、空気極側ともほぼ大気圧まで低下し、空気極側の空気は燃料極側に拡散し、或いは燃料極側の気体の体積収縮に伴う吸込みにより燃料極側に侵入し始める（図１３の下段（６）（７））。また、酸化抑制温度近傍においては、燃料極の温度が低く、燃料極に空気が触れた場合にも発生する酸化は僅かである。さらに、図１３の下段（８）に示すように、燃料極の温度が酸化下限温度よりも低下した後は、各燃料電池セルの燃料極側に空気が充満しても燃料極が雰囲気酸化されることはない。即ち、シャットダウン停止を実行する従来の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、機械的な構成により、酸化抑制温度以上の燃料極に進入した空気が接触し、燃料極が雰囲気酸化されるのを抑制している。このように、シャットダウン停止後、燃料極の酸化が発生し得る温度帯域において燃料極側に進入した微量の空気による酸化は、直ちに燃料電池セルの性能を低下させるものではない。しかしながら、シャットダウン停止が多数回繰り返されると燃料電池セルの劣化を引き起こすことが本件発明者により見出された。

次に、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池システム１におけるシャットダウン停止を説明する。このシャットダウン停止は、微量の空気の進入により発生する燃料極の微少な酸化の悪影響を十分に抑制することを目的として構成されている。
図８ａ、８ｂは本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池システム１において、シャットダウン停止が実行された場合の処理手順を示すフローチャートである。図９は、シャットダウン停止が実行された場合の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。図１０は、図９のシャットダウン停止直後の状態を拡大して示すタイムチャートである。図１１は、図９の燃料極還元処理工程の部分を拡大して示すタイムチャートである。図１２は、シャットダウン停止が実行された場合における制御、燃料電池モジュール内の温度、圧力、及び燃料電池セルの先端部の状態を時系列で説明するための図である。

コントローラである制御部１１０は、内蔵されたマイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラムにより、図８ａ、８ｂに示すフローチャートの処理を実行する。また、制御部１１０は酸化抑制制御回路１１０ａ（図６）を備えており、この酸化抑制制御回路１１０ａは、本実施形態においては、シャットダウン停止後に、第１温度降下工程、燃料極還元処理工程、及び第２温度降下工程を、この順序で実行するように構成されている。
まず、図８ａのステップＳ１においては、実行される停止処理が通常停止であるか否かが判断される。異常停止である場合にはステップＳ２に進み、図８ａ、８ｂに示すフローチャートの１回の処理を終了する。通常停止である場合には、図８ａのステップＳ３以下の処理が実行される。本実施形態において「通常停止」とは、固体酸化物形燃料電池システム１の使用者による停止操作に基づく停止、又は、制御部１１０に内蔵されているプログラムにより予め設定されている定期的な停止がこれに該当する。

図９に示すタイムチャートの例では、時刻ｔ３０１において、使用者により停止スイッチが操作され、停止前制御が開始されている。この操作に応じて、図８ａのステップＳ３において、停止前制御が実行される（図９及び図１０の時刻ｔ３０１〜ｔ３０３、図１２の下段（２））。停止前制御においては、まず、燃料電池モジュール２による外部への出力が停止される。これにより、図１０に細い一点鎖線で示すように、燃料電池モジュール２から取り出される電流、電力が急速に低下する。なお、停止前制御においては、燃料電池モジュール２から外部への電流出力は停止されるが、固体酸化物形燃料電池システム１の補機ユニット４を作動させるための一定の微弱な電流（１Ａ程度）の取り出しは、所定期間に亘って継続される。

このため、時刻ｔ３０１において発電電流が大幅に低下した後も、停止前制御中においては燃料電池モジュール２から微弱な電流が取り出される。また、図１０に破線で示すように、燃料電池モジュール２の出力電圧は、取り出される電流の低下と共に上昇する。このように、停止前制御中において、電力の取り出し量を制限し、微弱な電流を取り出しながら所定電力の発電を継続することにより、供給された燃料の一部が発電に使用されるため、発電に使用されずに残る余剰燃料の著しい増加が回避され、燃料電池モジュール２内の温度が低下される。

さらに、停止前制御においては、時刻ｔ３０１の後、図１０に点線で示す原燃料ガスの供給量、及び細い実線で示す改質用の水の供給量が直線的に低下される。一方、太い一点鎖線で示す発電用の空気供給量は最大値まで増加される。従って、停止前制御中においては、燃料電池モジュール２から取り出される電力に対応した量よりも多くの空気が供給される。このように、空気供給量を増加させることにより、改質器２０から熱を奪い、燃料電池モジュール２内の温度上昇を抑制している。続いて、図１０に示す例では、時刻ｔ３０１から約２０秒後の時刻ｔ３０２において、燃料供給量及び水供給量が、燃料電池モジュール２から取り出されている微弱な電流に対応した供給量まで低下され、その後、低下された供給量が維持される。

このように、停止前制御として、燃料供給量及び水供給量を低下させておくことにより、燃料供給の完全停止時に大流量の燃料が急激に停止されることによる燃料電池モジュール２内の気流の乱れや、燃料供給の完全停止後における大量の燃料の改質器２０、マニホールド６６内への残留を防止している。なお、時刻ｔ３０１の後、燃料供給量を減少させ、空気供給量を増加させることにより、図１０に太い実線で示す燃料電池モジュール２内の空気極側の空気の温度は低下される。しかしながら、燃料電池モジュール２を取り囲む断熱材７等には依然として大量の熱量が蓄積されている。また、停止前制御中においては、外部への電流出力は停止されているものの、燃料及び水の供給が継続されているため、発電用の空気の供給を継続しても、各燃料電池セル１６内部の燃料極側へ空気が進入することはない。従って、安全に空気の供給を継続することができる。

次に、図８ａのステップＳ４においては、停止前制御開始後所定時間が経過したか否かが判断される。本実施形態においては、停止前制御開始後２０分経過する（図１０の時刻ｔ３０３）まで停止前制御が継続される。この停止前制御は、シャットダウン停止時（時刻ｔ３０３）における燃料電池モジュール２内の温度分布や、圧力状態を整えると共に、改質器２０や各燃料電池セル１６内に残留している燃料ガス及び水蒸気の量を規定の状態に設定するものである。これにより、シャットダウン停止後の高温状態において、各燃料電池セル１６の燃料極側への空気の逆流が抑制され、各燃料電池セル１６の燃料極の雰囲気酸化が防止される。

次いで、図８ａのステップＳ５においては、燃料供給量及び改質用の水供給量がゼロにされ、燃料電池モジュール２からの取り出し電流もゼロにされ、固体酸化物形燃料電池システム１がシャットダウン停止される。一方、発電用の空気（ただし、発電は完全に停止されている）は、時刻ｔ３０３におけるシャットダウン停止後も、排熱制御（図１０の時刻ｔ３０３〜ｔ３０４）として、最大供給量による供給が継続されている。これにより、燃料電池モジュール２内（燃料電池セルスタック１４の空気極側）の空気、残余燃料の燃焼ガス、及びシャットダウン停止後に燃料電池セルスタック１４の燃料極側から流出した燃料（図１２の下段（３））が排出される。また、各燃料電池セル１６上端から流出した燃料ガスの燃焼は、原燃料ガスの供給停止と共に消失する。

なお、排熱制御が実施される期間においては、燃料電池セルスタック１４の燃料極側や改質器２０内に燃料が残存しており、燃料極側（各燃料電池セル１６の内部）は依然として圧力が十分に高い状態にある。従って、排熱制御が実施される所定期間においては、燃料供給が停止された状態で発電用の空気を供給しても、燃料極側に空気が進入することはない。なお、排熱制御は、シャットダウン停止直後における燃料電池モジュール２内の温度分布や圧力状態を整えつつ、燃料電池モジュール２内の温度を低下させるものである。これにより、シャットダウン停止後の高温状態において、各燃料電池セル１６の燃料極側への空気の逆流が抑制され、各燃料電池セル１６の燃料極層の雰囲気酸化が防止される。

次に、図８ａのステップＳ６においては、排熱制御開始後所定時間が経過したか否かが判断される。本実施形態においては、排熱制御開始後５分経過する（図１０の時刻ｔ３０４）まで排熱制御が継続される。この排熱制御を実行する時間は、燃料電池モジュール２や燃料電池セルスタック１４の構造に応じて、燃料電池モジュール２内の温度が安定し、シャットダウン停止後において各燃料電池セル１６から噴出する燃料（水素）の量に応じて設定する。

排熱制御開始後所定時間が経過するとステップＳ７に進み、ステップＳ７においては、発電用空気流量調整ユニット４５による発電用空気の供給が停止される（図９及び図１０の時刻ｔ３０４）。これにより、燃料電池モジュール２は、原燃料ガスの供給、水の供給、発電用空気の供給及び燃料電池モジュール２からの電力の取り出しの全てが停止された放置状態（図９の時刻ｔ３０４〜ｔ３０５）となる。即ち、本実施形態においては、酸化抑制制御回路１１０ａは、原燃料ガスの供給、水の供給、発電用空気の供給及び燃料電池モジュール２からの電力の取り出しを停止させることにより、第１温度降下工程を実行する。ここで、各燃料電池セル１６の上端には、絞り部である燃料ガス流路細管９８が設けられ、これにより各燃料電池セル１６の燃料極側と空気極（酸化剤ガス極）側の間には所定の流路抵抗が与えられている。このため、シャットダウン停止後の第１温度降下工程において、原燃料ガスの供給が停止され、高温の状態で燃料電池モジュール２が一定期間放置されたとしても、空気極側から燃料極側への空気の逆流は十分に抑制される。

次に、図８ａのステップＳ８においては、燃料電池モジュール２内の温度が第１温度である４８０℃まで低下したか否かが判断される。第１温度まで低下している場合にはステップＳ９に進み、低下していない場合には第１温度降下工程が継続される。即ち、本実施形態において、第１温度降下工程は、発電運転時における温度から第１温度までの間の第１温度帯域において実行される。

図９に示す例においては、時刻ｔ３０５において、燃料電池モジュール２内の温度が第１温度まで低下している。また、本実施形態の燃料電池モジュール２においては、シャットダウン停止後、約３時間で燃料電池モジュール２内の温度が第１温度まで低下する。ここで、シャットダウン停止後において、燃料電池モジュール２内の各部の温度は燃料電池セル１６の温度と概ね一定の相関関係があるため、燃料電池モジュール２内の任意の箇所の温度を指標として、ステップＳ９以下の処理に移行するか否か、判断することができる。なお、シャットダウン停止後の温度低下速度にはバラツキが少ないため、シャットダウン停止後の経過時間に基づいてステップＳ９以下の処理が実行されるように本発明を構成することもできる。

燃料電池モジュール２内が第１温度まで低下した状態においては、各燃料電池セル１６の燃料極側の圧力が低下し、少しずつ空気極側の空気が燃料極側に侵入し始めている（図１２の下段（４））。しかしながら、燃料極側には依然として十分な水素ガスが残留しているため、燃料極が著しく高温雰囲気酸化されることはないが、侵入し始めた微量の空気により燃料極には微少な酸化が発生している。

図８ａのステップＳ９以下においては、制御部１１０に内蔵された酸化抑制制御回路１１０ａは、燃料極還元処理工程を実行する。具体的には、酸化抑制制御回路１１０ａは、図１１の時刻ｔ３０５において、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給を再開させると共に、触媒ヒーター４９ａに信号を送り、触媒ヒーター４９ａをオンにして燃焼触媒器４９を加熱する。なお、本実施形態においては、水の供給量は２．５ｃｃ／ｍｉｎに設定されている。水流量調整ユニット２８によって改質器２０に供給された水は、燃料電池モジュール２内の予熱により蒸発され、水蒸気が生成される。
次いで、図８ｂのステップＳ１０においては、水の供給開始後２分間経過したか否かが判断され、２分間経過した場合には、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１においては、酸化抑制制御回路１１０ａは、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り原燃料ガスの供給を再開させると共に、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も再開させる（図１１の時刻ｔ３０６）。原燃料ガスは、燃料流量調整ユニット３８により改質器２０に供給される。なお、本実施形態においては、原燃料ガスの供給量は２．０Ｌ／ｍｉｎに設定され、発電用空気の供給量は８０Ｌ／ｍｉｎに設定されている。ここで、改質器２０にはステップＳ９において予め水の供給が開始されており、その所定時間後に原燃料ガスの供給が開始された際には、改質器２０内で十分な水蒸気が生成されている。このように、十分な水蒸気が生成されているため、原燃料ガスの供給による燃料電池セルにおける炭素析出の発生は十分に抑制される。なお、改質器２０の温度は発電運転時よりも低下しているため、供給された原燃料ガスの全量が改質器２０において水蒸気改質されることはない。しかしながら、水供給量は、供給された原燃料ガス全量を水蒸気改質可能な量に設定されている。

供給された原燃料ガスは、改質器２０内で一部が水蒸気改質され、水蒸気改質により生成された水素ガス及び未改質の原燃料ガスが、マニホールド６６を介して各燃料電池セル１６の内側（燃料極側）に流入し、それらの上端から空気極側に流出する。また、酸化抑制制御回路１１０ａは、着火装置８３に信号を送り、各燃料電池セル１６から流出した水素ガス及び原燃料ガスに点火し、これらを燃焼室１８内で燃焼させる。これにより、各燃料電池セル１６の上方に配置された改質器２０は再び加熱され、供給された原燃料ガスを十分に水蒸気改質することができるようになる（図１１の時刻ｔ３０６〜ｔ３０７）。また、燃料電池セル１６の燃料極側には水素ガスが供給されるので、燃料極側に侵入していた微量の空気が空気極側に排出されると共に、微量の空気により僅かに酸化されていた燃料極が還元される（図１２の下段（５））。

なお、燃料極還元処理工程においては、燃料極側に水素ガスが供給され、空気極側に発電用空気が供給されるが、燃料電池モジュール２から電力が取り出されることはない（発電は行われない）。また、発電用空気を空気極側に供給することにより、燃焼室１８において生成された燃焼ガスが燃料電池モジュール２外に排出されると共に、各燃料電池セル１６が冷却される。燃料電池モジュール２から排出された排気ガスは、燃焼触媒器４９（図１）を通って浄化された後、外気に放出される。

次いで、ステップＳ１２においては、燃料電池モジュール２内の温度が還元処理温度帯域の最高温度である５００℃まで上昇したか否かが判断され、最高温度まで上昇している場合には、ステップＳ１３に進む。
ステップＳ１３においては、酸化抑制制御回路１１０ａは燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、原燃料ガスの供給を停止させる（図１１の時刻ｔ３０７）。これにより、各燃料電池セル１６上端における燃焼が停止され、燃料極還元処理工程が終了する。なお、水及び発電用空気の供給は、従前の流量のまま継続される。このように、本実施形態においては、燃料極還元処理工程は、還元処理温度帯域である約４８０℃〜約５００℃の間の温度帯域で実行される。好ましくは、還元処理温度帯域は、約４００℃〜約５２０℃の範囲内に設定する。燃料極還元処理工程をこのような温度帯域で実行することにより、燃料極に発生している微量の酸化を、短時間で効果的に還元することができ、かつ、発電運転停止後、燃料電池モジュール内の温度が低下するまでの時間が過度に長くならないよう制御することができる。

また、燃料極還元処理工程が実行される還元処理温度帯域の最高温度は、好ましくは、シャットダウン停止時における燃料電池モジュール２内の温度（燃料電池セル１６の温度）よりも低くなるように設定する。このように、シャットダウン停止時の温度よりも低い温度で燃料極還元処理工程が終了するため、燃料極還元処理工程により還元された燃料極が、その後侵入した空気により再び酸化されるのを効果的に抑制することができ、かつ、発電運転停止後、燃料電池モジュール内の温度が低下するまでの時間が過度に長くならないよう制御することができる。

さらに、本実施形態において、燃料極還元処理工程開始から終了までの期間（図１１の時刻ｔ３０５〜ｔ３０７）は約１２分であり、この期間は、燃料極還元処理工程開始前に実行される第１温度降下工程、後に実行される第２温度降下工程よりも短い期間に設定されている。また、燃料極還元処理工程においては、燃焼室１８内で原燃料ガス等が燃焼されるため、燃料極還元処理工程開始時の温度（第１温度降下工程終了時の温度）は、燃料極還元処理工程終了時の温度（第２温度降下工程開始時の温度）よりも低くなる。このように、本実施形態においては、第１温度降下工程開始時の温度及び終了時の温度は、第２温度降下工程の終了時の温度よりも高いので、第１温度降下工程が実行される第１温度帯域は、第２温度降下工程が実行される第２温度帯域よりも高く設定されている。

図１１の時刻ｔ３０７において原燃料ガスの供給を停止させた後、約３分経過すると、酸化抑制制御回路１１０ａは図８ｂのステップＳ１４を実行する。
ステップＳ１４においては第２温度降下工程が開始され、酸化抑制制御回路１１０ａは燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、原燃料ガスの供給を再開する（図１１の時刻ｔ３０８）。本実施形態においては、原燃料ガスの供給量は０．４５Ｌ／ｍｉｎに設定されている。なお、水及び発電用空気の供給は、従前の流量のまま継続される。このように、第２温度降下工程においては、第１温度降下工程とは異なる方法で、各燃料電池セル１６の燃料極の酸化を抑制しながら、燃料電池モジュール２内の温度を低下させる。

また、第２温度降下工程においては原燃料ガスの供給が再開されるが、着火装置８３による着火が行われないため、各燃料電池セル１６の上端から流出した原燃料ガス等が燃焼室１８内で燃焼されることはない。このため、第２温度降下工程においては、燃料電池モジュール２内の温度は単調に低下する（図１１の時刻ｔ３０８〜）。また、第２温度降下工程においては、改質器２０が原燃料ガス等の燃焼により加熱されることがないので、温度低下と共に改質器２０内における水蒸気改質反応は次第に発生しなくなり、各燃料電池セル１６には原燃料ガスが供給されるようになる。このように、第２温度降下工程においては、各燃料電池セル１６の燃料極側に原燃料ガスが供給されるので、空気極側から燃料極側への空気の逆流が確実に防止され、燃料極の酸化が確実に抑制される。

また、第２温度降下工程においては、水の供給が継続されており、改質器２０内では水蒸気が生成されるため、原燃料ガスを供給することによる各燃料電池セル１６の燃料極における炭素析出を防止することができる。さらに、各燃料電池セル１６の燃料極には水蒸気も供給されることとなるが、第２温度降下工程は比較的低温の温度帯域で実行されるため、燃料極還元処理工程において還元された燃料極が、水蒸気により再び酸化されることはない。

次いで、ステップＳ１５においては、燃料電池モジュール２内の温度が第２温度帯域の最低温度である３００℃まで低下したか否かが判断され、低下している場合には、ステップＳ１６に進む。
ステップＳ１６において、酸化抑制制御回路１１０ａは、燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、原燃料ガスの供給を停止させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送って、水の供給を停止させる（図９の時刻ｔ３０９〜）。さらに、酸化抑制制御回路１１０ａは、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送って改質用空気の供給を開始する。なお、時刻ｔ３０９においては、原燃料ガスは供給されていないため、改質用空気の供給を開始しても改質器２０内で原燃料ガスが改質されることはない。本実施形態においては、改質用空気の流量は５Ｌ／ｍｉｎに設定されている。また、発電用空気の供給は、従前の流量のまま継続される。

改質用空気流量調整ユニット４４から供給された空気は、改質器２０、マニホールド６６等を通って各燃料電池セル１６の燃料極側に流入し、各燃料電池セル１６の上端から空気極側へ流出する。これにより、第２温度降下工程において各燃料電池セル１６に供給され、残留している原燃料ガス、水蒸気等が掃気される。このように、発電用空気の供給、改質用空気の供給を継続することにより、各燃料電池セル１６は、さらに冷却される。なお、改質用空気の供給開始時（図９の時刻ｔ３０９）においては、各燃料電池セル１６の温度は十分に低下しているので、各燃料電池セル１６の燃料極側に空気を供給しても、燃料極が酸化されることはない。

次いで、ステップＳ１７においては、燃料電池モジュール２内の温度が９０℃以下に低下したか否かが判断され、低下している場合には、ステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８においては、改質用空気及び発電用空気の供給が停止され、図８ａ、８ｂのフローチャートの１回の処理を終了する。燃料電池モジュール２内の温度が９０℃に低下した状態では、燃料電池モジュール２のメンテナンスを行うことができるので、改質用空気及び発電用空気を供給して燃料電池モジュール２内の冷却を促進する必要がない。このため、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１においては、燃料電池モジュール２内の温度が９０℃以下に低下した時点で改質用空気及び発電用空気の供給を停止させ、全ての停止処理を終了する。

本発明の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１によれば、シャットダウン停止（図９の時刻ｔ３０３）後において、第１温度降下工程（図９の時刻ｔ３０４〜ｔ３０５）、第２温度降下工程（図９の時刻ｔ３０８〜ｔ３０９）、及び燃料極の僅かな酸化を還元処理する燃料極還元処理工程（図１１の時刻ｔ３０５〜ｔ３０７）が実行される。これら第１、第２温度降下工程において、原燃料ガス又は水素ガスが燃焼されることはなく（図１２下段（４）（６））、燃料電池モジュール２の断熱性を高く設計した場合においても、シャットダウン停止後、燃料電池モジュール２内の温度を効果的に低下させることができる。また、シャットダウン停止後、燃料極還元処理工程が実行されるので、シャットダウン停止後に燃料極側に進入した微量の空気による悪影響をも、効果的に軽減することができる。

また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１によれば、第１温度降下工程（図９の時刻ｔ３０４〜ｔ３０５）後に燃料極還元処理工程（図１１の時刻ｔ３０５〜ｔ３０７）が実行される（図１２の中段）。このため、燃料極還元処理工程は、第１温度降下工程中において侵入した微量の空気による燃料極の酸化を還元すれば十分であるため、短時間で還元処理を行うことができる。また、燃料極還元処理工程は、第１温度降下工程後のある程度高温の状態で実行されるため、効果的に還元処理を行うことができると共に、燃料極還元処理工程終了後に侵入した空気により、燃料極が再び酸化されるのを防止することもできる。

さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１によれば、燃料極還元処理工程（図１１の時刻ｔ３０５〜ｔ３０７）が改質器２０によって生成された水素ガスを使用して実行されるので、専用の供給源を設けることなく水素ガスを得ることができる。また、燃料極還元処理工程は、第１温度降下工程（図９の時刻ｔ３０４〜ｔ３０５）後の比較的高温の状態で実行されるため、改質器２０を強く加熱することなく、水蒸気改質反応を発生させ、水素ガスを得ることができる。このため、比較的少量の原燃料ガスを供給するだけで水素ガスを生成することができる。また、燃料極還元処理工程においては、水蒸気改質反応を発生させるために水蒸気も供給されるが、水蒸気による酸化が発生した場合にも、生成された水素ガスにより、これを直ちに還元することができ、水蒸気による酸化の悪影響を回避することができる。

また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１によれば、還元処理温度帯域（約４８０〜５００℃）の最高温度はシャットダウン停止時における燃料電池モジュール内の温度（約６００℃）よりも低く設定されている。このため、適切な温度帯域で燃料極還元処理工程（図１１の時刻ｔ３０５〜ｔ３０７）を実行することができ、燃料極に発生した微少な酸化を短時間で効果的に還元することができる。この結果、燃料極還元処理工程において供給する原燃料ガスの量を少なくすることができる。

さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１によれば、第１温度降下工程の終了時（図１１の時刻ｔ３０５）における燃料電池モジュール２内の温度（約４８０℃）は、燃料極還元処理工程の後に開始される第２温度降下工程の開始時（図１１の時刻ｔ３０７）の温度（約５００℃）よりも低い。このため、燃料極還元処理工程（図１１の時刻ｔ３０５〜ｔ３０７）において、燃料電池モジュール２内の温度を上昇させながら燃料極を還元することができるので、燃料極に発生した微少な酸化を短時間で効果的に還元することができる。

また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１によれば、第１温度降下工程は燃料電池モジュール２内の温度が還元処理温度帯域（約４８０〜５００℃）内にあるとき（図１１の時刻ｔ３０５）終了し、その後実行される燃料極還元処理工程は、燃料電池モジュール２内の温度が還元処理温度帯域の最高温度（約５００℃）まで上昇したとき終了し、その後、第２温度降下工程が実行される。このため、燃料極還元処理工程（図１１の時刻ｔ３０５〜ｔ３０７）の実行温度を最適化することができ、燃料極に発生した微少な酸化を短時間で確実に還元することができる。さらに、燃料極還元処理工程終了後に燃料極側に進入した空気による再酸化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形燃料電池システム１によれば、第１温度降下工程（図９の時刻ｔ３０４〜ｔ３０５）において発電用空気、原燃料ガス、及び水の供給が停止されるので、ランニングコストを低減することができると共に、原燃料ガスの燃焼が停止されている（図１２の下段（４））ため、燃料電池モジュール２内の温度を速やかに低下させることができる。また、原燃料ガスの供給を停止することにより、燃料極側に微量の空気が侵入し、微少な酸化が発生したとしても、後続の燃料極還元処理工程（図１１の時刻ｔ３０５〜ｔ３０７）により、これを速やかに還元することができる。

また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１によれば、燃料極還元処理工程（図１１の時刻ｔ３０５〜ｔ３０７）の終了時において燃料流量調整ユニット３８が一旦停止される（図１１の時刻ｔ３０７〜ｔ３０８）ので、燃焼部１８における燃焼が停止され（図１２の下段（６））、その後は燃焼熱が発生しなくなる。この結果、燃料電池モジュール２が、断熱性が高く構成されていても、温度降下に要する時間が過度に長くなることがない。さらに、燃焼が停止された後の第２温度降下工程（図９の時刻ｔ３０８〜ｔ３０９）において、燃料極側に原燃料ガスが供給されるので、各燃料電池セル１６の燃料極側の圧力を高く維持することができ、各燃料電池セル１６の空気極側から燃料極側への空気の逆流を、確実に防止することができる。これにより、燃料極の酸化を確実に防止することができる。

さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１によれば、第２温度降下工程（図９の時刻ｔ３０８〜ｔ３０９）においては、各燃料電池セル１６の燃料極側に原燃料ガスが供給される一方、空気極側には空気が供給されるので、空気が逆流するリスクを確実に回避しながら、燃料電池セル１６の温度を迅速に降下させることができる。これにより、固体酸化物形燃料電池システム１を迅速に停止させることができる。

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、燃料電池モジュール２の内部に改質器２０が配置され、この改質器２０の内部に水蒸気改質用の水蒸気を生成する蒸発器が設けられていたが、異なる構成の燃料電池モジュールを備えた固体酸化物形燃料電池システムに本発明を適用することができる。また、上述した実施形態においては、燃料極還元処理工程（図１１の時刻ｔ３０５〜ｔ３０７）において燃料極に供給される水素ガスは、改質器２０において生成されていたが、この改質部２０以外の、外部の水素供給経路（水素供給源）から供給された水素ガスを使用して、燃料極還元処理工程を実行することもできる。

１ 固体酸化物形燃料電池システム
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
７ 断熱材
８ ケース
８ａ 連通開口
８ｂ 下がり壁
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
１８ 燃焼室（燃焼部）
２０ 改質器
２０ａ 蒸発部（蒸発室）
２０ｂ 混合部（圧力変動吸収手段）
２０ｃ 改質部
２１ 整流板（隔壁）
２１ａ 開口部
２１ｂ 排気通路
２１ｃ 気体滞留空間
２１ｄ 縦壁
２２ 空気用熱交換器（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（水供給装置）
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット（燃料供給装置）
３９ バルブ
４０ 空気供給源
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット（酸化剤ガス供給装置）
４６ 第１ヒータ
４８ 第２ヒータ
４９ 燃焼触媒器
４９ａ 触媒ヒーター
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
６２ 改質器導入管
６２ａ Ｔ字管
６３ａ 水供給用配管
６３ｂ 燃料ガス供給用配管
６４ 燃料ガス供給管
６４ｃ 圧力変動抑制用流路抵抗部
６６ マニホールド
７６ 空気導入管
７６ａ 吹出口
８２ 排気ガス排出管
８３ 着火装置
８４ 燃料電池セル
８５ 排気バルブ
８６ 内側電極端子（キャップ）
９０ｄ 第１燃料極（燃料極層）
９０ｅ 第２燃料極（燃料極層）
９２ａ 空気極（酸化剤ガス極層）
９４ 固体電解質層
９８ 燃料ガス流路細管（絞り部）
１１０ 制御部（コントローラ）
１１０ａ 酸化抑制制御回路
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
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 (9)

1. 原燃料ガスを水蒸気改質して得られた水素ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物形燃料電池システムであって、
   燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールと、
   この燃料電池モジュールからの熱の発散を抑制する断熱材と、
   上記燃料電池セルの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   上記燃料電池セルの燃料極側に供給する水素ガスを水蒸気改質により生成する改質部と、
   この改質部に原燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
   上記改質部における水蒸気改質に使用する水蒸気を生成する蒸発部と、
   この蒸発部に水を供給する水供給装置と、
   上記改質部を加熱するように、上記燃料電池セルの一端から供給され、他端から流出した原燃料ガス又は水素ガスを燃焼させる燃焼部と、
   上記燃料電池モジュールからの電力の取り出し及び原燃料ガスの供給を停止させると共に、上記燃焼部における燃焼を停止させるシャットダウン停止を実行するようにプログラムされたコントローラと、を有し、
   上記コントローラは、シャットダウン停止後、上記燃料電池モジュール内の温度が低下している間に発生する燃料極の酸化を抑制する酸化抑制制御回路を有し、
   上記酸化抑制制御回路は、シャットダウン停止後において、
   上記燃料電池セルへの原燃料ガス又は水素ガスの供給を行うことなく、上記燃料電池モジュール内の温度を低下させる第１温度降下工程、
   この第１温度降下工程が実行される第１温度帯域よりも低い第２温度帯域において、上記燃焼部内で原燃料ガス又は水素ガスを燃焼させることなく、上記第１温度降下工程とは異なる方法で上記燃料電池モジュール内の温度を低下させる第２温度降下工程、及び
   上記改質部において生成された水素ガス又は上記改質部以外の外部の水素供給経路から供給された水素ガスを上記燃料極に供給することにより、上記燃料極に発生した僅かな酸化を還元処理する燃料極還元処理工程、を実行するようにプログラムされており、
   上記酸化抑制制御回路は、上記各工程を、上記第１温度降下工程、上記燃料極還元処理工程、上記第２温度降下工程の順に実行し、上記燃料極還元処理工程は、上記第１温度降下工程及び上記第２温度降下工程よりも短い時間実行されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
2. さらに、上記燃焼部内の原燃料ガス又は水素ガスに着火する着火装置を有し、上記酸化抑制制御回路は、上記燃料極還元処理工程において、上記燃料供給装置を作動させると共に、上記着火装置により上記燃料電池セルから流出した原燃料ガス又は水素ガスに着火させ、これにより上記改質部を加熱して、水蒸気改質反応により水素ガスを生成する請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 上記酸化抑制制御回路は、上記燃料電池モジュール内の温度が所定の還元処理温度帯域内にあるように上記燃料極還元処理工程を実行し、上記還元処理温度帯域の最高温度はシャットダウン停止時における上記燃料電池モジュール内の温度よりも低く設定されている請求項２記載の固体酸化物形燃料電池システム。
4. 上記第１温度降下工程の終了時における上記燃料電池モジュール内の温度は、上記燃料極還元処理工程の後に開始される上記第２温度降下工程の開始時の温度よりも低い請求項３記載の固体酸化物形燃料電池システム。
5. 上記第１温度降下工程は上記燃料電池モジュール内の温度が上記還元処理温度帯域内にあるとき終了し、その後実行される上記燃料極還元処理工程は、上記燃料電池モジュール内の温度が上記還元処理温度帯域の最高温度まで上昇したとき終了し、その後、上記第２温度降下工程が実行される請求項４記載の固体酸化物形燃料電池システム。
6. 上記還元処理温度帯域は、上記燃料電池モジュール内の温度が４００℃以上、５２０℃以下の範囲内に設定されている請求項５記載の固体酸化物形燃料電池システム。
7. 上記酸化抑制制御回路は、上記第１温度降下工程において、上記酸化剤ガス供給装置、上記燃料供給装置、及び上記水供給装置を停止させるようにプログラムされており、シャットダウン停止前に供給され、上記燃料電池セルの燃料極側に残留している水素ガスにより、上記燃料極の酸化を抑制する請求項５記載の固体酸化物形燃料電池システム。
8. 上記酸化抑制制御回路は、上記燃料極還元処理工程の終了時において、上記燃料供給装置を一旦停止させることにより、上記燃焼部における燃焼を停止させ、その後、上記第２温度降下工程において、上記燃料供給装置を起動させるようにプログラムされており、上記燃料電池セルの燃料極側に供給される原燃料ガスにより上記燃料極の酸化が抑制される請求項７記載の固体酸化物形燃料電池システム。
9. 上記酸化抑制制御回路は、上記第２温度降下工程において、上記酸化剤ガス供給装置を作動させ、上記燃料電池セルの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する請求項８記載の固体酸化物形燃料電池システム。

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