JP6970923B2 - 高温動作型燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、高温動作型燃料電池システムに関するものであり、特に、高温動作型燃料電池システムの起動シークエンスにおける発電用空気の供給制御に関する。
高温動作型燃料電池の一例として、例えば、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下、ＳＯＦＣと称する）が挙げられる。ＳＯＦＣは、電解質に酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を配置した構成を有する。このＳＯＦＣでは、一方の電極側に、都市ガス（１３Ａ）などの原料を改質して得た改質ガスが供給され、他方の電極側に空気などの酸化剤ガスが供給される。そして、ＳＯＦＣは供給された改質ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学反応により発電させる。ＳＯＦＣでは、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸化物イオンと水素との化学反応により水が生成され、酸化物イオンと一酸化炭素との化学反応により二酸化炭素が生成されるとともに、電気や熱を発生する。発生した電気はＳＯＦＣの外部に取り出され各種の電力負荷に供給される。そして、発電時に発生した熱は原料、発電用空気、および改質水等の加熱に使用される。また、改質器を加熱する方式として、オフガス燃焼セルバーナー方式が提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示されたＳＯＦＣシステムでは、燃料電池ユニットの上端部から流出するオフガスに点火装置を用いて点火して、オフガスの燃焼により改質器を加熱する方式となっている。
特開２０１５−１８５２６３号公報
本発明は、一例として、起動シークエンスにおいて改質器およびセルスタックの温度が過昇温となることを防ぐことができる高温動作型燃料電池システムを提供する。
本発明に係る高温動作型燃料電池システムの一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、燃料ガスと発電用空気とを反応させて発電するセルスタックと、原料を改質して前記燃料ガスを生成し、前記セルスタックに供給する改質器と、前記改質器に原料を供給する原料供給器と、前記改質器に改質水を供給する水供給器と、前記発電用空気を前記セルスタックに供給する空気供給器と、前記セルスタックから排出されたオフガスを燃焼させ、この燃焼にともなって生じた熱により前記セルスタックおよび前記改質器を加熱する燃焼室と、前記燃焼室においてオフガスに着火する着火器と、制御器と、を備え、前記制御器は、起動シークエンスにおいて、前記原料供給によって前記改質器に前記原料を供給させ、かつ前記空気供給器によって前記セルスタックに前記発電用空気を供給させるとともに、前記セルスタックから排出された前記オフガスに前記着火器によって着火させ、着火後に前記水供給器によって該改質器へ前記改質水の供給を開始させるように制御しており、前記水供給器による前記改質水の供給開始後に、前記空気供給器により前記発電用空気の供給量を段階的に増加させるようにさらに制御する。
本発明は、以上に説明したように構成され、起動シークエンスにおいて改質器およびセルスタックの温度が過昇温となることを防ぐことができるという効果を奏する。
本発明の実施形態に係るＳＯＦＣシステムの全体構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るＳＯＦＣシステムの起動シークエンスにおける動作処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るＳＯＦＣシステムの起動シークエンスにおける各流体の供給タイミングの一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態の変形例１に係るＳＯＦＣシステムの全体構成を示す模式図である。 本発明の実施形態の変形例１に係るＳＯＦＣシステムの起動シークエンスにおける動作処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の変形例１に係るＳＯＦＣシステムの起動シークエンスにおける各流体の供給タイミングの一例を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態の変形例２に係るＳＯＦＣシステムの起動シークエンスにおける動作処理の一例を示すフロ―チャートである。 本発明の実施形態の変形例２に係るＳＯＦＣシステムの起動シークエンスにおける各流体の供給タイミングの一例を示すタイムチャートである。
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
ＳＯＦＣシステムが備える改質器において、原料から改質ガスを生成するために行う改質反応は、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）、水蒸気改質反応（ＳＲ）、及びこれら２つの反応が混在したオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）が例示できる。ＰＯＸは、原料と酸素とが反応して改質ガス（水素含有ガス）を生成する発熱反応である。一方、ＳＲは、原料と水蒸気とが反応して改質ガスを生成する吸熱反応である。
ここで、本発明者らは、上記した特許文献１に記載されたＳＯＦＣシステムについて鋭意検討した。具体的には、特許文献１に記載されたＳＯＦＣシステムは、起動シークエンスにおいて、点火装置を用いてセルの上端部から流出するオフガスに点火して、このオフガスの燃焼により改質器及び蒸発器を加熱するように制御する構成である。特許文献１では、このような構成において、オフガスへの点火前に、蒸発器への水供給を開始させる。このように、特許文献１では、オフガスへの点火前に、蒸発器への水供給を開始させるため、オフガスの燃焼により改質器が温度上昇したとしても、この改質器において水蒸気改質が誘発される方向となり、未改質な炭素の発生を抑えることができる。また、仮に未改質炭素が発生しても水蒸気と反応させて、一酸化炭素または二酸化炭素に変化させて除去することができる。これにより、特許文献１に記載されたＳＯＦＣシステムでは、セル内に析出炭素が蓄積されることを防ぐことができる構成となっている。
しかしながら、本発明者らは、特許文献１に記載されたＳＯＦＣシステムにおいて、以下の問題が生じることを見出した。
まず、特許文献１に記載されたＳＯＦＣシステムでは、起動シークエンスにおいて、燃焼工程では、一定流量の発電用空気および改質水が供給されるように制御されている。その後、燃焼工程から第１の水蒸気改質反応工程（ＳＲ１）に移行すると、発電用空気の供給量は一定のまま、改質水の供給量が増加する。その後、改質器温度センサによる検出温度が約４５０℃に達すると、第１の水蒸気改質反応工程（ＳＲ１）から第２の水蒸気改質反応工程（ＳＲ２）へと移行する。ここで、第２の水蒸気改質反応工程（ＳＲ２）の初期段階では、発電用空気の供給量が低減される一方で、改質水の供給量が増加されるように制御されている。
ところで、第２の水蒸気改質反応工程（ＳＲ２）の開始時には、改質反応がすすんでおり大量の改質ガスが生成されているため、オフガスの燃焼熱が大きくなっているものと考えられる。このような状態で、発電用空気の供給量を低減させると、セルスタックおよび改質器等の被加熱部が過昇温になる可能性があることを見出した。
そこで、本発明者らは、ＳＯＦＣシステム等の高温動作型燃料電池システムにおける起動シークエンスを鋭意検討した結果、水蒸気改質反応工程（ＳＲ）中において発電用空気の供給量を段階的に増加させることで、被加熱部の過昇温を防ぐことができることを見出し、本発明に至った。
上記した本発明者らの知見は、これまで明らかにされていなかったものであり、顕著な作用効果を奏する新規な技術的特徴を有するものである。そこで、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
本発明の第１の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、燃料ガスと発電用空気とを反応させて発電するセルスタックと、原料を改質して前記燃料ガスを生成し、前記セルスタックに供給する改質器と、前記改質器に原料を供給する原料供給器と、前記改質器に改質水を供給する水供給器と、前記発電用空気を前記セルスタックに供給する空気供給器と、前記セルスタックから排出されたオフガスを燃焼させ、この燃焼にともなって生じた熱により前記セルスタックおよび前記改質器を加熱する燃焼室と、前記燃焼室においてオフガスに着火する着火器と、制御器と、を備え、前記制御器は、起動シークエンスにおいて、前記原料供給によって前記改質器に前記原料を供給させ、かつ前記空気供給器によって前記セルスタックに前記発電用空気を供給させるとともに、前記セルスタックから排出された前記オフガスに前記着火器によって着火させ、着火後に前記水供給器によって該改質器へ前記改質水の供給を開始させるように制御しており、前記水供給器による前記改質水の供給開始後に、前記空気供給器により前記発電用空気の供給量を段階的に増加させるようにさらに制御する。
上記した起動シークエンスにおいて改質水の供給が開始されると、改質器において水蒸気改質反応が始まり、水素が生成される。このため、燃焼室に排出されるオフガスの組成において水素の量が増加し、燃焼室におけるオフガスの燃焼性がよくなるため、セルスタックおよび改質器は過昇温にいたる場合がある。なお、改質水とは、改質器において実施する改質反応で利用される水である。
しかしながら、上記構成によると、制御器は、改質水の供給開始後に、空気供給器により発電用空気の供給量を段階的に増加させるように制御するため、燃焼室における燃焼温度を低下させ、改質器およびセルスタックが過昇温となることを防ぐことができる。
よって、起動シークエンスにおいて改質器およびセルスタックの温度が過昇温となることを防ぐことができるという効果を奏する。
本発明の第２の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記制御器は、前記オフガスへの着火後、前記改質器が所定温度以上になったとき、前記水供給器によって前記改質器へ前記改質水の供給を開始させるように制御する構成であってもよい。
ここで、所定温度とは、例えば、改質水を気化させることができる温度である。
上記構成によると改質器が所定温度以上となったときに改質器への改質水の供給を開始するため、改質器において吸熱反応である水蒸気改質反応（ＳＲ）により原料の改質を行うことができる。このため、改質器の温度が過昇温となるリスクを低減させることができる。
本発明の第３の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第２の態様において、前記制御器は、前記燃焼室における燃焼に関与する空気の空気過剰率が１．０以上でかつ２．０以下となるように、前記水供給器による前記改質水の供給開始時における、前記空気供給器による前記発電用空気の供給量および前記原料供給器による前記原料の供給量を制御するように構成されていてもよい。
上記構成によると、改質水の供給開始時において、燃焼に関与する空気の空気過剰率が１．０以上でかつ２．０以下であるため、燃焼室に当量比よりもやや多めに空気を供給させることができる。このため、燃焼室において不完全燃焼を防ぎ、燃焼を促進させることができる。
本発明の第４の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記制御器は、前記改質器の温度が所定温度以上になったとき、前記空気供給器により前記発電用空気の供給量を増加させてもよい。
以下本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では、全ての図を通じて同一または対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する場合がある。
なお、本発明の実施形態では、高温動作型燃料電池システムとして発電部に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を有するＳＯＦＣシステム１００を例に挙げて説明するがこれに限定されるものではない。例えば、高温動作型燃料電池システムは、発電部に溶融炭酸形燃料電池（ＭＣＦＣ）を有するＭＣＦＣシステムなどであってもよく、高温な排熱を有効活用できる燃料電池システムであればよい。
［実施形態］
（ＳＯＦＣシステムの構成）
図１は、本発明の実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００の全体構成を示す模式図である。なお、図１では、説明の便宜上、燃料電池モジュール１内において原料、改質ガス（燃料ガス）、改質水（改質用水）、および発電用空気それぞれの各流通経路については省略している。
図１に示すように、ＳＯＦＣシステム１００は、燃料電池モジュール１と、補機２と、制御器２０とを備えてなる構成である。
燃料電池モジュール１は、セル３、セルスタック４、燃焼室（燃焼部）５、改質器６、空気予熱器７、着火器８、スタック温度検知センサ１８、および改質器温度検知センサ１９を備えている。
燃料電池モジュール１は、複数のセル３が電気的に直列に接合されて構成されたセルスタック４が備えられている。セル３は、例えば、電解質層の両側に空気極（カソード）および燃料極（アノード）を設け、空気極側に酸化剤ガスとして発電用空気が、燃料極側に燃料ガスとして改質ガスがそれぞれ供給されるように構成されている。そして、燃料極に供給された改質ガスおよび空気極に供給された発電用空気それぞれは、オフガスとしてセル３の上方端部に形成された出口部から噴出され、燃焼室５に導かれる。なお、セル３は、例えば、円筒型セルであってもよいし、平板型セルであってもよい。また、セル３は、例えば、円筒平板型セルであってもよい。
セルスタック４の上部には燃焼室（燃焼部）５が設けられており、燃焼室５内にはセルスタック４から排出されたオフガスに着火し、燃焼させる着火器８が備えられている。着火器８は、例えば、点火装置であってもよいし、点火ヒータであってもよい。燃焼室５は、セルスタック４を構成するセル３のアノードから排出されるアノードオフガスと、カソードから排出されるカソードオフガスを燃焼させる空間を含む。本明細書ではアノードオフガスおよびカソードオフガスをまとめてオフガスと称する。なお、ＳＯＦＣシステム１００の起動時において、改質器６における改質反応がすすんでいない段階では、アノードから原料がカソードから発電用空気が、ほぼそのまま燃焼室５に送出されることとなる。その後、改質器６における改質反応がすすみ、原料が改質され改質ガスが生成されると、オフガスは水素を多く含む組成となる。
燃焼室５の上部には、補機２により燃料電池モジュール１に供給された原料を改質して改質ガスを生成する改質器６が設けられている。
さらに改質器６の上部には補機２により供給された発電用空気を予熱する空気予熱器７が設けられる。これら改質器６および空気予熱器７は、燃焼室５における燃焼熱および、オフガスの燃焼により生成された燃焼排ガスの保有する熱によりそれぞれ加熱されるように配置されている。なお、燃焼排ガスは、改質器６および空気予熱器７をそれぞれ加熱することで保有する熱の一部を失い、燃料電池モジュール１の排ガス出口部（不図示）から系外に排気される。
改質器６は、原料と原料以外の反応ガスとを用いて改質反応により改質ガス（水素含有ガス）を生成する。改質反応はいずれの種類であっても良く、水蒸気改質反応（ＳＲ）、オートサーマル反応（ＡＴＲ）、及び部分酸化反応（ＰＯＸ）等が例示される。なお、実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００では、起動シークエンス時にＳＲのみが実施される構成となっているが、後述する変形例１、２に係るＳＯＦＣシステム１０１のように必要に応じて、ＰＯＸおよびＡＴＲも実施できるように構成されていてもよい。
原料は、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含む。原料としては、具体的には、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、およびＬＰＧ等、ならびにメタノール等のアルコールが例示される。原料は、原料供給源より供給されており、この原料供給源としては、例えば、ガスボンベ、ガスインフラなどが挙げられる。
また、原料以外の反応ガスとしては、改質反応が水蒸気改質であるときは水蒸気（改質水）、改質反応がオートサーマルであるときは、水蒸気及び空気、改質反応が部分酸化反応であるときは空気が挙げられる。また、改質器６は、改質反応を進行させるための改質触媒を備える。改質触媒には、触媒金属として、例えば、Ｒｕ、Ｎｉ等が用いられる。
補機２は、原料供給器１０と、発電用空気供給器（空気供給器）１１と、水供給器１２とを備えてなる構成である。
原料供給器１０は、制御器２０からの制御指示に応じて、燃料電池モジュール１が備える改質器６に原料を供給するものであり、改質器６へ供給する原料の流量を調整可能に構成されていてもよい。例えば、原料供給器１０は、昇圧器と流量調整弁とを備えてなる構成としてもよいし、これらのいずれか一方だけを備えた構成としてもよい。昇圧器は、例えば、モータ駆動による定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
発電用空気供給器１１は、制御器２０からの制御指示に応じて、燃料電池モジュール１が備えるセルスタック４のカソードに発電用空気を供給するものであり、セルスタック４のカソードへ供給する発電用空気の流量を調整可能に構成されていてもよい。例えば、発電用空気供給器１１は、昇圧器と流量調整弁とを備えてなる構成としてもよいし、これらのいずれか一方だけを備えた構成としてもよい。昇圧器は、例えば、モータ駆動による定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
水供給器１２は、制御器２０からの制御指示に応じて、改質器６に対して、該改質器６において実施される改質反応に用いる水である改質水を供給するものであり、改質器６へ供給する改質水の流量を調整可能に構成されていてもよい。なお、水供給器１２は、昇圧器と流量調整弁とを備えてなる構成としてもよいし、これらのいずれか一方だけを備えた構成としてもよい。昇圧器は、例えば、モータ駆動による定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
また、ＳＯＦＣシステム１００では、セルスタック４の温度を検知するスタック温度検知センサ１８、および改質器６の温度を検知する改質器温度検知センサ１９を備えている。なお、改質器温度検知センサ１９は、改質器６の温度を検知するとともに燃焼室５の温度を検知できる位置に設けられ、改質器６および燃焼室５の温度を検知できるものであってもよい。また、制御器２０が備えるメモリ（不図示）に予め、セルスタック４の温度と改質器６の温度との相関関係を示すテーブル情報を記憶しており、制御器２０がこのテーブル情報を参照してセルスタック４の温度から改質器６の温度を求めることができる構成の場合、改質器温度検知センサ１９は必ずしも備える必要はない。
制御器２０は、ＳＯＦＣシステム１００が備える各部の各種制御を行うものであり、ＳＯＦＣシステム１００が備える各部に対する制御機能を有するものであれば特に限定されない。制御器２０は、例えば、マイクロコントローラ、ＭＰＵ、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller)、論理回路等で実現できる。また、制御器２０は集中制御を行う単独の制御器によって構成されてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御器で構成されてもよい。
なお、ＳＯＦＣシステム１００は、上記した各機器に加えて各改質反応において必要となる機器を適宜設けてもよい。例えば、改質器６で水蒸気改質反応が実施される場合、改質器６を加熱する燃焼器、および水蒸気を生成する蒸発器等をさらに設けた構成としてもよい。
上記した構成を有するＳＯＦＣシステム１００では、以下のようにして発電が実施される。まず、ＳＯＦＣシステム１００において、原料および発電用空気が燃料電池モジュール１に供給される。具体的には、制御器２０からの制御指示に応じて、原料供給器１０が、都市ガス（１３Ａ）等の原料を燃料電池モジュール１に供給する。燃料電池モジュール１に供給された原料は、改質器６で改質され改質ガスが生成される。生成された改質ガスは、セル３に供給され、各セル３の上方端部の出口部から燃焼室５へと噴出させられる。一方、制御器２０からの制御指示に応じて、発電用空気供給器１１が発電用空気を燃料電池モジュール１に供給する。燃料電池モジュール１に供給された発電用空気は、空気予熱器７を流通し、セル３に供給される。セル３に供給された発電用空気は、各セル３の上方端部から燃焼室５へと送出される。
このように燃焼室５内へセル３からオフガスが送出されると、制御器２０は、着火器８を作動させてオフガスに着火させる。これにより複数のセル３それぞれの出口部の近傍に火炎を形成し、所定の空燃比（原料が完全燃焼する時に必要な理論空気量に対する実空気量の比）で燃焼させることができる。このようにして燃焼室５において生成された燃焼排ガスは燃焼室５の上方に設置された改質器６および空気予熱器７等の被加熱体を加熱した後、燃料電池モジュール１から外部へ排出される。なお、爆着防止のため燃焼室５にオフガス送出する前に着火器８を作動させてもよい。
以上のようにして燃焼室５における燃焼熱および燃焼排ガスが有する熱によりセルスタック４、改質器６、および空気予熱器７等が加熱される。なお、制御器２０は、改質器温度検知センサ１９の検知結果から改質器６の温度を監視することができる。
（起動シークエンスにおける動作処理）
次に、図２を参照してＳＯＦＣシステム１００の起動シークエンスにおける動作処理について説明する。図２は、本発明の実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００の起動シークエンスにおける動作処理の一例を示すフローチャートである。なお、起動シークエンスとは、ＳＯＦＣシステム１００において、セルスタック４の発電が停止された状態からセルスタック４の発電を実行するまでの間に実施する一連の工程を意味するものとする。
また、実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００は、ＰＯＸ及びＡＴＲを実施することなく、ＳＲのみ行って起動する、いわゆるＳＲ起動方式により起動シークエンスが実施される構成となっている。
起動シークエンスでは、まず、燃料電池モジュール１内に残存する水分および残留ガス等を排出させるために空気パージが行われる（ステップＳ１１）。具体的には、制御器２０が発電用空気供給器１１を制御して、所定流量の発電用空気を所定時間（後述の図３におけるΔｔ１）の間、燃料電池モジュール１に供給させる。なお、制御器２０は、時間経過を計測する計時部（不図示）と接続されており、計時部による計測結果に基づき、空気パージを行うために必要な発電用空気の供給時間（所定時間Δｔ１）を管理することができる。
Δｔ１の期間が経過すると、ＳＯＦＣシステム１００では、発電用空気の供給量を増加させるとともに原料の供給を開始する（ステップＳ１２）。発電用空気の供給量を増加させ、原料の供給を開始すると、ＳＯＦＣシステム１００では、制御器２０からの制御指示に応じて、燃焼室５における着火器８が、セル３から排出されたオフガスに着火する（ステップＳ１３）。なお、この段階では改質器６において改質反応が行われていないため、着火器８により着火されるオフガスは、原料および発電用空気となる。
燃焼室５において火炎が安定していくにつれ、燃焼にともなって生じた熱（例えば、燃焼熱および燃焼により生成された燃焼排ガスの有する熱）により被加熱体（例えば、セルスタック４、改質器６、空気予熱器７等）の温度も上昇していく。制御器２０が改質器温度検知センサ１９の検知結果に基づき、改質器６の温度が所定温度（Ｔ１）以上になったと判定すると、水供給器１２を制御して、改質水の燃料電池モジュール１への供給を開始させる（ステップＳ１４）。改質水の供給が開始されると、制御器２０は、発電用空気供給器１１を制御して、燃料電池モジュール１に供給する発電用空気の流量を段階的に増加させていく（ステップＳ１５）。
改質水の供給開始から所定時間、経過すると、改質器６において水蒸気改質反応により原料が改質され、改質ガスが生成される。生成された改質ガスはセル３のアノードへ供給され、発電が実施される。
次に、上記した図２に加え、図３を参照して、上記したＳＯＦＣシステム１００の起動シークエンスにおける動作処理の詳細について説明する。特に、各流体（原料、発電用空気、改質水等）の供給タイミングと改質器６の温度変化との対応関係について説明する。図３は、本発明の実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００の起動シークエンスにおける各流体の供給タイミングの一例を示すタイムチャートである。図３では、横軸を時間軸として、上から原料の供給量、発電用空気の供給量、改質水の供給量、改質器温度検知センサ１９によって検知された改質器６の温度それぞれの時系列変化を示している。なお、図３では、原料、発電用空気、改質水それぞれの供給量の時系列変化を横軸方向に延びた直線の凹凸で示しており、この直線において立ち上がっている位置は各流体の供給開始または供給量の増大を示しており、立ち下がっている位置は各流体の供給量の減少を示す。図３において紙面左から右に向かって時間が経過するものとする。
また、図３では着火器８による着火動作の前後と、改質器６で実施される水蒸気改質反応（ＳＲ）工程までの期間について示している。この期間では、空気パージ゛を実施する期間（Δｔ１）、セル３から排出されたオフガスに着火する期間（Δｔ２）、オフガスの燃焼が安定するまでの期間（Δｔ３）、水蒸気改質反応（ＳＲ）工程を進行させる期間に区別することができる。
まず、起動シークエンスにおいて、ＳＯＦＣシステム１００では図２のステップＳ１１に示すように、空気パージが行われる。このため、図３に示すように、発電用空気供給器１１が制御器２０からの制御指示に応じて、所定流量の発電用空気をΔｔ１の間、燃料電池モジュール１に供給する。このように、発電用空気を、燃料電池モジュール１内に供給することでセル３内外に残存する水分や残留ガス等を外部に排気させ、除去することができる。
空気パージが終わると、着火器８による着火動作が行われる前に、発電用空気供給器１１は、制御器２０からの制御指示に応じて、発電用空気の供給量を所定流量まで減少させる。その後、制御器２０は、発電用空気供給器１１を制御して発電用空気の供給量を増加させるとともに、原料供給器１０を制御して原料の供給を開始させる（ステップＳ１２）。さらに、制御器２０は着火器８を制御してセル３から排出されたオフガスに着火させる（ステップＳ１３）。
なお、図３に示すように、ＳＯＦＣシステム１００では、厳密には発電用空気供給器１１は、着火器８の着火動作と略同時に発電用空気の供給を開始しているが、原料供給器１０は、着火器８の着火動作開始よりも少し遅れて原料の供給を開始している。このように、図２に示すステップＳ１２およびステップＳ１３は実質的には、ほぼ同時に行ってもよい。また、ステップＳ１３を先に実施し、次いでステップＳ１２を行ってもよい。
燃焼室５においてセル３から排出されたオフガスが、着火器８により着火されると、着火器８は着火動作を停止する。
なお、オフガスに着火した初期段階では、火炎温度が低いため、火炎が不安定な状態となる。そこで、ＳＯＦＣシステム１００では、オフガスの着火後から火炎が安定するまでの期間は、発電用空気供給器１１は、通常の発電時に供給する発電用空気の流量よりも少ない流量で発電用空気を継続して供給する。
このように、ＳＯＦＣシステム１００では、原料および通常の発電時よりも少ない流量の発電用空気を燃料電池モジュール１に供給した状態で、着火器８によってオフガスに着火させ、燃焼させるように構成されている。なお、このとき発電用空気供給器１１によって供給される発電用空気の流量は、以下の条件を満たすように設定されている。すなわち、燃焼室５に排出されたカソードオフガスの流量（空気量）を、燃焼室５でアノードオフガスを完全燃焼させる時に必要な理論空気量によって除した値で表される空気過剰率（λ）が１．０以上で２．０以下、より好ましくは１．２以上で１．６以下となるように、発電用空気の供給量が設定されている。
したがって、ＳＯＦＣシステム１００では、着火時において、大量の発電用空気がカソードオフガスとして燃焼室５に供給されることがないため、大量の発電用空気によって、着火器８によるオフガスへの着火の安定性を阻害してしまうことを防ぐことができる。また、着火後においては、燃焼室５において、燃焼維持に必要な酸素を含む発電用空気が火炎の外から拡散によって入ってくるため火炎安定性を高め、一酸化炭素の発生を抑制することができる。
燃焼室５における燃焼にともなって生じた熱により改質器６が所定温度（Ｔ１）まで加熱させられると、制御器２０は、水供給器１２を制御して改質水の供給を開始させる。なお、この所定温度（Ｔ１）は、水を気化できる温度であればよく、１００℃以上となる温度である。ＳＯＦＣシステム１００では、例えば、３００℃とすることができる。また、水供給器１２が、一度に大量の改質水を改質器６に供給すると、燃焼室５における火炎が不安定になる場合がある。このため、制御器２０は、供給量を徐々に増加させながら改質水を供給するように水供給器１２を制御する。改質器６の温度が上昇し、水蒸気改質反応（ＳＲ）工程が実施可能となる温度に達すると、原料が改質され改質ガスが生成される。
なお、オフガスに着火した初期段階では、燃焼温度が低いため燃焼室５における火炎が不安定となる。さらに改質水の供給が始まると火炎がより一層、不安定となる。そのため、火炎の失火を防ぎ安定した燃焼とするために、燃焼室５における燃焼に関与するアノードオフガス（燃料）とカソードオフガス（空気）との空燃比は当量比またはやや空気過剰の状態が望ましい。
そこで、実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００では、上記したように改質水の供給開始時において、供給されている発電用空気の流量は、燃焼に関与する空気の空気過剰率（λ）が１．０以上で２．０以下、より好ましくは１．２以上で１．６以下となるように設定されている。
図３に示すように改質器６の温度と各流体の供給量とは以下のように変化している。すなわち、空気パージが行われている期間（Δｔ１）と着火が開始されるまでの期間では、改質器６の温度は、ほぼ変化しない。オフガスに着火してから、燃焼が安定するまでの期間（Δｔ３）では、改質器６の温度は急激に上昇する。
改質器６の温度が所定温度（Ｔ１）以上に達すると、改質水の供給が開始される。なお、改質水の供給開始時点は、燃焼室５における火炎が不安定となるため、火炎が安定して燃焼するまでは発電用空気の供給量には変化がない。
その後、火炎が安定し改質器６の温度が所定温度（Ｔ２）以上になったと制御器２０が判定すると、原料の供給量は一定に維持したまま、発電用空気の供給量を増加させるように発電用空気供給器１１を制御する。このとき燃焼室５の燃焼に関与する空気の空気過剰率（λ）が、例えば、１．５〜３．０となるように、発電用空気の供給量が設定されている。なお、所定温度（Ｔ２）は燃焼室５において安定した火炎で燃焼していることが判断できる温度であり、かつ、炭化水素原料のコーキング抑制可能な温度であり、例えば、５６０℃とすることができる。つまり、所定温度（Ｔ２）は、安定した火炎で燃焼していると想定したときの、改質水の供給開始時点から、例えば、１８０秒後の改質器６の温度とすることができ、この温度は予めシミュレーション等によって求めておくことができる。そして、シミュレーション等によって予め求めた所定温度（Ｔ２）に関する情報を制御器２０が備えるメモリ（不図示）に予め記憶させておいてもよい。
さらに改質器６の温度が所定温度（Ｔ２）から所定温度（Ｔ３）以上まで上昇したと判定すると、制御器２０は、発電用空気供給器１１を制御して発電用空気の供給量をさらに増加させる。このとき、燃焼室５の燃焼に関与する空気の空気過剰率（λ）が３．０〜４．０となるように、発電用空気の供給量が設定されている。また、所定温度（Ｔ３）は、例えば、改質器６においてＳＲにより原料の改質が十分に進む温度であり、例えば、６５０℃とすることができる。
そして、改質器６の温度が所定温度（Ｔ４）以上まで上昇したと判定すると、制御器２０は、通常の発電時に供給する空気流量となるまで、発電用空気の供給量を増加させるように発電用空気供給器１１を制御する。増加後の発電用空気の供給量は、燃焼室５の燃焼に関与する空気の空気過剰率（λ）が、例えば、４．０〜１０．０となるように設定されている。なお、所定温度（Ｔ４）は、通常の発電時における改質器６の温度よりも高い温度（例えば７３０℃）とすることができ、この温度もまたシミュレーション等によって予め求めておき、制御器２０が備えるメモリ（不図示）に予め記憶させておいてもよい。
このように、ＳＯＦＣシステム１００では、改質水が燃料電池モジュール１に供給され、ＳＲ工程が行われるまでの所定の期間（改質器６の温度がＴ４以上となるまでの期間）で、発電用空気の供給量を段階的に増加させる。
なお、実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００は、図３に示すように、着火時に供給した発電用空気の流量を、３段階に分けて増加させ、通常の発電時に必要となる発電用空気の流量とする構成であった。しかしながら、発電用空気の流量を段階的に増加させる回数は上記した３回に限定されるものではなく２回であってもよいし４回以上であってもよい。
以上のように、実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００の起動シークエンスでは、オフガスへの着火前に、大量の発電用空気を供給して空気パージを行なった後、着火時に流量を低減させた状態で発電用空気の供給を継続させるとともに、原料の供給を開始し、改質水の供給後に、発電用空気の供給量を段階的に増加させるようになっている。
このように、オフガスへの着火前に空気パージを行うことにより、セル３内に残存していた水分および残留ガスが除去されるため、燃焼室５における着火安定性を高め、一酸化炭素の発生を抑制することもできる。また、発電用空気の供給量を段階的に増加させるため、ＳＯＦＣシステム１００では、被加熱体が過昇温することを防ぐことができる。
（実施形態の変形例１）
（変形例１に係るＳＯＦＣシステムの構成）
図４は、本発明の実施形態の変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１の全体構成を示す模式図である。なお、図４では、説明の便宜上、燃料電池モジュール１内において原料、改質ガス、改質用空気、改質水、および発電用空気それぞれの各流通経路については省略している。
変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１は、図４に示すように、実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００の構成において、補機２として改質用空気供給器１３をさらに備えた構成となっている。それ以外の点は、変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１は、実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００と同様の構成となるため、同様な部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。
改質用空気供給器１３は、制御器２０からの制御指示に応じて、改質器６に対して、該改質器６において実施される改質反応に用いられる空気（改質用空気）を供給するものであり、改質器６へ供給する改質用空気の流量を調整可能に構成されていてもよい。なお、改質用空気供給器１３は、昇圧器と流量調整弁とを備えてなる構成としてもよいし、これらのいずれか一方だけを備えた構成としてもよい。昇圧器は、例えば、モータ駆動による定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
また、変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１では、ＡＴＲ工程の後、ＳＲ工程を実施して原料を改質し、改質ガスを生成する構成となっている。このため、改質器６がＳＲにより改質ガスを生成する場合、水供給器１２は、改質器６に改質水を供給する。一方、改質器６がＡＴＲにより改質ガスを生成する場合、水供給器１２が改質器６に改質水を供給するとともに、改質用空気供給器１３が改質器６に改質用空気の供給を実施する。
（起動シークエンスにおける動作処理）
次に、図５を参照して変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１の起動シークエンスにおける動作処理について説明する。図５は、本発明の実施形態の変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１の起動シークエンスにおける動作処理の一例を示すフローチャートである。
なお、図５に示す起動シークエンスにおいて、ステップＳ２１〜ステップＳ２３までの処理は、図２に示すステップＳ１１〜ステップＳ１３の処理と同様であるため、説明は省略する。
ステップＳ２３におけるオフガスの着火後、改質器温度検知センサ１９の検知結果に基づき、改質器６の温度が所定温度（Ｔ１１）以上になったと判定すると、制御器２０は、改質用空気供給器１３を制御して、燃料電池モジュール１に改質用空気の供給を開始させる（ステップＳ２４）。さらに、制御器２０は、水供給器１２を制御して、燃料電池モジュール１に改質水の供給を開始させる（ステップＳ２５）。なお、所定温度（Ｔ１１）は、ＡＴＲ工程を実施することができる温度であればよく、例えば３００℃とすることができる。また、ステップＳ２４およびステップＳ２５は、必ずしもこの順番で行う必要はなく、両ステップは同時に行われてもよいし、ステップＳ２５の後にステップＳ２４が行われる構成であってもよい。
改質用空気および改質水の供給が開始されると、制御器２０は、発電用空気供給器１１を制御して、燃料電池モジュール１に供給する発電用空気の流量を段階的に増加させていく（ステップＳ２６）。その後、制御器２０は、改質用空気供給器１３を制御して、改質用空気の燃料電池モジュール１への供給を停止させる（ステップＳ２７）。これにより、改質器６にて実施される改質反応は、ＡＴＲ工程からＳＲ工程へと移行する。
次に、上記した図５に加え、図６を参照して、上記した変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１の起動シークエンスにおける動作処理の詳細について説明する。特に、各流体（原料、発電用空気、改質水、改質用空気等）の供給タイミングと改質器６の温度変化との対応関係について説明する。図６は、本発明の実施形態の変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１の起動シークエンスにおける各流体の供給タイミングの一例を示すタイムチャートである。図６では、横軸を時間軸として、上から原料の供給量、発電用空気の供給量、改質水の供給量、改質用空気の供給量、改質器温度検知センサ１９によって検知された改質器６の温度それぞれの時系列変化を示している。なお、図６では、原料、発電用空気、改質水、改質用空気それぞれの供給量の時系列変化を横軸方向に延びた直線の凹凸で示しており、この直線において立ち上がっている位置は各流体の供給開始または供給量の増大を示しており、立ち下がっている位置は各流体の供給量の減少を示す。図６において紙面左から右に向かって時間が経過するものとする。
また、図６では着火器８による着火動作の前後と、改質器６で実施される改質反応がオートサーマル（ＡＴＲ）工程からＳＲ工程に切り替わるまでの期間について示している。この期間では、空気パージを実施する期間（Δｔ１）、供給された原料に着火する期間（Δｔ２）、原料と発電用空気との燃焼が安定するまでの期間（Δｔ３）、ＡＴＲ〜ＳＲ工程を進行させる期間に区別することができる。
まず、起動シークエンスにおいて、変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１では、図５のステップＳ２１に示すように、空気パージが行われる。このため、図６に示すように、発電用空気供給器１１が制御器２０からの制御指示に応じて、所定流量の発電用空気をΔｔ１の間、燃料電池モジュール１に供給する。このように、発電用空気を、燃料電池モジュール１内に供給することでセル３内外に残存する水分および残留ガス等を外部に排気させ、除去することができる。空気パージが終わると、着火器８による着火動作が行われる前に、発電用空気供給器１１は、制御器２０からの制御指示に応じて、発電用空気の供給量を所定流量まで減少させる。その後、制御器２０は、発電用空気供給器１１を制御して発電用空気の供給を増加させるとともに、原料供給器１０を制御して原料の供給を開始させる（ステップＳ２２）。さらに、制御器２０は着火器８を制御してセル３から排出されたオフガスに着火させる（ステップＳ２３）。
なお、図６に示すように、変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１では、厳密には発電用空気供給器１１は、着火器８の着火動作と略同時に発電用空気の供給を開始しているが、原料供給器１０は、着火器８の着火動作開始よりも少し遅れて原料の供給を開始している。このように、図５に示すステップＳ２２およびステップＳ２３は実質的には、ほぼ同時に行ってもよい。また、ステップＳ２３を先に実施し、次いでステップＳ２２を行ってもよい。
燃焼室５においてセル３から排出されたオフガスが、着火器８により着火されると、着火器８は着火動作を停止する。
なお、オフガスに着火した初期段階では、火炎温度が低いため、火炎が不安定な状態となる。そこで、変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１では、オフガスの着火後から火炎が安定するまでの期間は、発電用空気供給器１１は、通常の発電時に供給する発電用空気の流量よりも少ない流量で発電用空気を継続して供給する。
このように、変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１では、原料および通常の発電時よりも少ない流量の発電用空気を燃料電池モジュール１に供給した状態で、着火器８によってオフガスに着火させ、燃焼させるように構成されている。なお、このとき供給される発電用空気の空気量は、実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００と同様に、燃焼室５の燃焼に関与する空気の空気過剰率（λ）が１．０以上で２．０以下、好ましくは１．２以上で１．６以下となるように設定されている。
したがって、変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１では、着火時において、大量の発電用空気がカソードオフガスとして燃焼室５に供給されることがないため、大量の発電用空気によって、着火器８によるオフガスへの着火の安定性を阻害してしまうことを防ぐことができる。また、着火後においては、燃焼室５において、燃焼維持に必要な酸素を含む発電用空気が火炎の外から拡散によって入ってくるため火炎安定性を高め、一酸化炭素の発生を抑制することができる。
燃焼室５における燃焼にともなって生じた燃により改質器６が所定温度（Ｔ１１）まで加熱させられると、制御器２０は、水供給器１２を制御して改質水の供給を開始させるとともに、改質用空気供給器１３を制御して改質用空気の供給を開始させる。なお、この所定温度（Ｔ１１）は、ＡＴＲ工程を実施できる温度であればよく、例えば、４５０℃とすることができる。また、水供給器１２が、一度に大量の改質水を改質器６に供給したり、改質用空気供給器１３が、一度に大量の改質用空気を改質器６に供給したりすると、燃焼室５における火炎が不安定になる場合がある。このため、制御器２０は、供給量を徐々に増加させながら改質水を供給するように水供給器１２を制御する。また、制御器２０は、供給量を徐々に増加させながら改質用空気を供給するように改質用空気供給器１３を制御する。このように、改質水および改質用空気が供給されると、改質器６においてＡＴＲが実施される。なお、改質器６に充填された改質触媒の炭素析出による劣化を防ぐため、改質用空気の供給量をＡＴＲ工程において最低限必要とする流量に抑制しておいてもよい。
図６に示すように改質器６の温度と各流体の供給量とは以下のように変化している。すなわち、空気パージが行われている期間（Δｔ１）と着火が開始されるまでの期間では、改質器６の温度は、ほぼ変化しない。オフガスに着火してから、燃焼が安定するまでの期間（Δｔ３）では、改質器６の温度は急激に上昇する。改質器６の温度が、所定温度（Ｔ１１）（例えば４５０℃）以上に達すると、改質水および改質用空気の供給を開始される。なお、改質水および改質用空気の供給開始時点は、燃焼室５における火炎が不安定となるため、火炎が安定して燃焼するまでは発電用空気の供給量には変化がない。
その後、火炎が安定し改質器６の温度が所定温度（Ｔ１２）以上になったと制御器２０が判定すると、原料の供給量は一定に維持したまま、発電用空気の供給量を増加させるように発電用空気供給器１１を制御する。このとき燃焼室５の燃焼に関与する空気の空気過剰率（λ）が例えば、１．５〜３．０となるように、発電用空気の供給量が設定されている。なお、所定温度（Ｔ１２）は燃焼室５において安定した火炎で燃焼していることが判断できる温度、かつ、炭化水素原料のコーキング抑制可能な温度であり、例えば、５６０℃とすることができる。つまり、所定温度（Ｔ１２）は、安定した火炎で燃焼していると想定したときの、改質水の供給開始時点から、例えば、１８０秒後の改質器６の温度とすることができ、この温度は予めシミュレーション等によって求めておくことができる。そして、シミュレーション等によって予め求めた所定温度（Ｔ１２）に関する情報を制御器２０が備えるメモリ（不図示）に予め記憶させておいてもよい。
さらに改質器６の温度が所定温度（Ｔ１２）から所定温度（Ｔ１３）以上となるまで上昇したと判定すると、制御器２０は、発電用空気供給器１１を制御して発電用空気の供給量をさらに増加させる。このとき、燃焼室５の燃焼に関与する空気の空気過剰率（λ）が３．０〜４．０となるように、発電用空気の供給量が設定されている。また、所定温度Ｔ１３は、例えば、改質器６においてＡＴＲにより原料の改質が十分に進む温度であり、例えば、６００℃とすることができる。
また、制御器２０は、改質器６の温度が所定温度（Ｔ１４）以上まで上昇したと判定すると、改質用空気供給器１３を制御して改質用空気の供給を停止させる。なお、所定温度Ｔ１４は、改質水および改質用空気の供給開始時点から所定時間経過後の温度であり、例えば、６５０℃とすることができる。この所定温度（Ｔ１４）は、ＳＲ工程のみだけで発電に必要な改質ガスが生成可能となる時点での改質器６の温度であり、シミュレーション等によって予め求めておくことができる。そして、シミュレーション等によって予め求めた所定温度（Ｔ１４）に関する情報を制御器２０が備えるメモリ（不図示）に予め記憶させておいてもよい。
そして、改質器６の温度が所定温度（Ｔ１５）（例えば、７３０℃）以上まで上昇したと判定すると、制御器２０は、通常の発電時に供給する空気流量となるまで、発電用空気の供給量を増加させるように発電用空気供給器１１を制御する。増加後の発電用空気の供給量は、燃焼室５の燃焼に関与する空気の空気過剰率（λ）が、例えば、４．０〜１０．０となるように設定されている。なお、所定温度（Ｔ１５）は、通常の発電時における改質器６の温度よりも高い温度であり、この温度もまたシミュレーション等によって予め求めておき、制御器２０が備えるメモリ（不図示）に予め記憶させておいてもよい。
このように、変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１では、改質水が燃料電池モジュール１に供給され、ＳＲ工程が行われるまでの所定の期間（改質器６の温度がＴ１５以上となるまでの期間）で、発電用空気の供給量を段階的に増加させる。
なお、変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１は、図６に示すように、着火時に供給した発電用空気の流量を、３段階に分けて増加させ、通常の発電時に必要となる発電用空気の流量とする構成であった。しかしながら、発電用空気の流量を段階的に増加させる回数は上記した３回に限定されるものではなく２回であってもよいし４回以上であってもよい。
以上のように、実施形態の変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１の起動シークエンスでは、オフガスへの着火前に、大量の発電用空気を供給して空気パージを行なった後、着火時に流量を低減させた状態で発電用空気の供給を継続させるとともに、原料の供給を開始し、改質水の供給後に、発電用空気の供給量を段階的に増加させるようになっている。
このように、オフガスへの着火前に空気パージを行うことにより、セル３内に残存していた水分および残留ガスが除去されるため、燃焼室５における着火安定性を高め、一酸化炭素の発生を抑制することもできる。また、発電用空気の供給量を段階的に増加させるため、変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１では、被加熱体が過昇温することを防ぐことができる。
なお、変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１は、起動シークエンスにおいて、改質器６で、ＡＴＲ工程により原料から改質ガスを生成し、その後、ＳＲ工程により原料から改質ガスを生成するように移行する構成であった。しかしながら、改質器６で行う改質反応はこれに限定されるものではない。改質器６においてＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程の順に改質反応を移行させて、原料から改質ガスを生成するように構成されていてもよい。
（実施形態の変形例２）
以下において、本発明の実施形態の変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１として、ＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程の順に改質反応を移行させて、原料から改質ガスを生成するＳＯＦＣシステムについて説明する。
なお、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１は、変形例１に係るＳＯＦＣシステム１０１と構成は同様であるため、同じ部材には同じ符号を付し、各部材の説明は省略する。
また、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１では、ＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程の順に改質反応を実施し、原料を改質して改質ガスを生成する構成となっている。このため、改質器６がＳＲにより改質ガスを生成する場合、水供給器１２は、改質器６に改質水を供給する。一方、改質器６がＡＴＲにより改質ガスを生成する場合、水供給器１２が改質器６に改質水を供給するとともに、改質用空気供給器１３が改質器６に改質用空気の供給を実施する。また、改質器６がＰＯＸにより改質ガスを生成する場合、改質用空気供給器１３が改質器６に改質用空気の供給を実施する。
図７を参照して変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１の起動シークエンスにおける動作処理について説明する。図７は、本発明の実施形態の変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１の起動シークエンスにおける動作処理の一例を示すプロ―チャートである。
起動シークエンスでは、まず、燃料電池モジュール１内に残存する水分および残留ガス等を排出させるために空気パージが行われる（ステップＳ３１）。具体的には、制御器２０は、発電用空気供給器１１を制御して、所定流量の発電用空気を所定時間（後述の図８におけるΔｔ１）の間、燃料電池モジュール１に供給させる。さらに制御器２０は、改質用空気供給器１３を制御して、改質用空気を所定時間（後述の図８におけるΔｔ１）の間、燃料電池モジュール１に供給させる。
なお、制御器２０は、時間経過を計測する計時部（不図示）と接続されており、計時部による計測結果に基づき、空気パージを行うために必要な発電用空気の供給時間（所定時間Δｔ１）を管理することができる。
ステップＳ３１における空気パージ後、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１では、発電用空気の供給量を増加させるとともに原料の供給を開始する（ステップＳ３２）。発電用空気の供給量を増加させ、原料の供給を開始すると、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１では、制御器２０からの制御指示に応じて、燃焼室５における着火器８が、セル３から排出されたオフガスに着火する（ステップＳ３３）。
なお、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１では、上記した実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００と同様に、ステップＳ３２とステップＳ３３とは同時に実施されてもよいし、ステップＳ３３を先に実施し、次いでステップＳ３２を実施してもよい。
ステップＳ３３の着火後に、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１では、改質用空気の供給を開始する（ステップＳ３４）。すなわち、ステップＳ３３においてオフガスに着火させると、制御器２０は、改質用空気供給器１３を制御して改質用空気の供給を開始させる。
燃焼室５において火炎が安定していくにつれ、燃焼にともなって生じた熱により被加熱体（例えば、セルスタック４、改質器６、空気予熱器７等）の温度も上昇していく。このため、改質器６の温度がＰＯＸ工程を実施できる温度まで上昇すると、供給された改質用空気を利用してＰＯＸ工程が実施される。
また、制御器２０が改質器温度検知センサ１９の検知結果に基づき、改質器６の温度が所定温度（Ｔ２１）以上となったと判定すると、改質用空気供給器１３を制御して、燃料電池モジュール１への改質用空気の供給量を徐々に増加させる（ステップＳ３５）。さらに、制御器２０は、水供給器１２を制御して、燃料電池モジュール１に改質水の供給を開始させる（ステップＳ３６）。これにより、改質器６にて実施される改質反応はＰＯＸ工程からＡＴＲ工程へと移行する。
なお、所定温度（Ｔ２１）は、ＡＴＲ工程を実施することができる温度であればよく、例えば４５０℃とすることができる。また、ステップＳ３５およびステップＳ３６は、必ずしもこの順番で行う必要はなく、両ステップは同時に行われてもよいし、ステップＳ３６の後にステップＳ３５が行われる構成であってもよい。
改質用空気および改質水の供給が開始されると、制御器２０は、発電用空気供給器１１を制御して、燃料電池モジュール１に供給する発電用空気の流量を段階的に増加させていく（ステップＳ３７）。その後、制御器２０は、改質用空気供給器１３を制御して、改質用空気の燃料電池モジュール１への供給を停止させる（ステップＳ３８）。これにより、改質器６にて実施される改質反応は、ＡＴＲ工程からＳＲ工程へと移行する。
次に、上記した図７に加え、図８を参照して、上記した変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１の起動シークエンスにおける動作処理の詳細について説明する。特に、各流体（原料、発電用空気、改質水、改質用空気等）の供給タイミングと改質器６の温度変化との対応関係について説明する。図８は、本発明の実施形態の変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１の起動シークエンスにおける各流体の供給タイミングの一例を示すタイムチャートである。図８では、横軸を時間軸として、上から原料の供給量、発電用空気の供給量、改質水の供給量、改質用空気の供給量、改質器温度検知センサ１９によって検知された改質器６の温度それぞれの時系列変化を示している。なお、図８では、原料、発電用空気、改質水、改質用空気それぞれの供給量の時系列変化を横軸方向に延びた直線の凹凸で示しており、この直線において立ち上がっている位置は各流体の供給開始または供給量の増大を示しており、立ち下がっている位置は各流体の供給量の減少を示す。図８において紙面左から右に向かって時間が経過するものとする。
また、図８では着火器８による着火動作の前後と、改質器６で実施される改質反応がＰＯＸ工程を経てＡＴＲ工程に移行し、このＡＴＲ工程からＳＲ工程に切り替わるまでの期間について示している。この期間では、空気パージを実施する期間（Δｔ１）、セル３から排出されたオフガスに着火する期間（Δｔ２）、オフガスの燃焼が安定するまでの期間（Δｔ３）、ＰＯＸ〜ＡＴＲ〜ＳＲ工程を進行させる期間に区別することができる。
まず、起動シークエンスにおいて、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１では、図７のステップＳ３１に示すように、空気パージが行われる。このため、図８に示すように、発電用空気供給器１１が制御器２０からの制御指示に応じて、所定流量の発電用空気をΔｔ１の間、燃料電池モジュール１に供給する。さらに、改質用空気供給器１３が制御器２０からの制御指示に応じて、所定流量の改質用空気をΔｔ１の間、燃料電池モジュール１に供給する。このように、発電用空気および改質用空気を、燃料電池モジュール１内に供給することでセル３内外に残存する水分および残留ガス等を外部に排気させ、除去することができる。
空気パージが終わると、着火器８による着火動作が行われる前に、発電用空気供給器１１は、制御器２０からの制御指示に応じて、発電用空気の供給量を所定流量まで減少させる。さらにまた、改質用空気供給器１３は、制御器２０からの制御指示に応じて、改質用空気の供給を停止させる。その後、制御器２０は、発電用空気供給器１１を制御して発電用空気の供給量を増加させるとともに、原料供給器１０を制御して原料の供給を開始させる（ステップＳ３２）。さらに、制御器２０は、着火器８を制御してセル３から排出されたオフガスに着火させる（ステップＳ３３）。
燃焼室５においてセル３から排出されたオフガスが、着火器８により着火されると、着火器８は着火動作を停止する。
なお、オフガスに着火した初期段階では、火炎温度が低いため、火炎が不安定な状態となる。そこで、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１では、オフガスの着火後から火炎が安定するまでの期間は、発電用空気供給器１１は、通常の発電時に供給する発電用空気の流量よりも少ない流量で発電用空気を継続して供給する。
このように、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１では、原料および通常の発電時よりも少ない流量の発電用空気を燃料電池モジュール１に供給した状態で、着火器８によりオフガスに着火させ、燃焼させるように構成されている。なお、このとき供給される発電用空気の流量は、燃焼室５の燃焼に関与する空気の空気過剰率（λ）が１．０以上で２．０以下、好ましくは１．２以上で１．６以下となるように設定されている。
したがって、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１では、着火時において、大量の発電用空気がカソードオフガスとして燃焼室５に供給されることがないため、大量の発電用空気によって、着火器８によるオフガスへの着火の安定性を阻害してしまうことを防ぐことができる。また、着火後においては、燃焼室５において、燃焼維持に必要な酸素を含む発電用空気が火炎の外から拡散によって入ってくるため火炎安定性を高め、一酸化炭素の発生を抑制することができる。
また、着火器８が安定して原料に着火できるようにするため、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１では、改質用空気供給器１３は、着火後に改質用空気を供給するように構成されている。
原料と発電用空気との燃焼により生成された燃焼排ガスの保有する熱と、燃焼室５における燃焼熱により改質器６がＰＯＸを実施できる程度まで加熱されると、改質器６はＰＯＸにより原料から改質ガスを生成する。さらに、改質器６が所定温度（Ｔ２１）まで加熱させられると、制御器２０は、改質用空気供給器１３を制御して改質用空気の供給量を増加させるとともに（ステップＳ３５）、水供給器１２を制御して改質水の供給を開始させる（ステップＳ３６）。
なお、この所定温度（Ｔ２１）は、ＡＴＲ工程を実施できる温度であればよく、例えば、４５０℃とすることができる。また、水供給器１２が、一度に大量の改質水を改質器６に供給したり、改質用空気供給器１３が、一度に大量の改質用空気を改質器６に供給したりすると、燃焼室５における火炎が不安定になる場合がある。このため、制御器２０は、供給量を徐々に増加させながら改質水を供給するように水供給器１２を制御する。また、制御器２０は、供給量を徐々に増加させながら改質用空気を供給するように改質用空気供給器１３を制御する。このように、改質水の供給が開始され、改質用空気の供給量が増加されると、改質器６においてＡＴＲが実施される。なお、改質器６に充填された改質触媒の炭素析出による劣化を防ぐため、改質用空気の供給量をＡＴＲ工程において最低限必要とする流量に抑制しておいてもよい。
図８に示すように改質器６の温度と各流体の供給量とは以下のように変化している。すなわち、空気パージが行われている期間（Δｔ１）と着火が開始されるまでの期間では、改質器６の温度は、ほぼ変化しない。オフガスに着火してから、燃焼が安定するまでの期間（Δｔ３）では、改質器６の温度は急激に上昇する。また、オフガスへの着火後に、制御器２０は、改質用空気供給器１３を制御して、改質用空気の供給を開始させる。
改質器６の温度が所定温度（Ｔ２１）以上に達すると、改質水の供給が開始される。さらに、改質用空気の供給量を徐々に増加させる。なお、改質水および改質用空気の供給開始時点は、燃焼室５における火炎が不安定となるため、火炎が安定して燃焼するまでは発電用空気の供給量には変化がない。
その後、火炎が安定し改質器６の温度が所定温度（Ｔ２２）以上になったと制御器２０が判定すると、原料の供給量は一定に維持したまま、発電用空気の供給量を増加させるように発電用空気供給器１１を制御する。このとき、燃焼室５の燃焼に関与する空気の空気過剰率（λ）が例えば、１．５〜３．０となるように発電用空気の供給量が設定されている。なお、所定温度（Ｔ２２）は燃焼室５において安定した火炎で燃焼していることが判断できる温度、かつ、炭化水素原料のコーキング抑制可能な温度であり、例えば、５６０℃とすることができる。つまり、所定温度（Ｔ２２）は、安定した火炎で燃焼していると想定したときの、改質水の供給開始時点から、例えば、１８０秒後の改質器６の温度とすることができ、この温度は予めシミュレーション等によって求めておくことができる。そして、シミュレーション等によって予め求めた所定温度（Ｔ２２）に関する情報を制御器２０が備えるメモリ（不図示）に予め記憶させておいてもよい。
さらに改質器６の温度が所定温度（Ｔ２２）から所定温度（Ｔ２３）以上となるまで上昇したと判定すると、制御器２０は、発電用空気供給器１１を制御して発電用空気の供給量をさらに増加させる。このとき、燃焼室５の燃焼に関与する空気の空気過剰率（λ）が３．０〜４．０となるように発電用空気の供給量が設定されている。また、所定温度（Ｔ２３）は、例えば、改質器６においてＡＴＲにより原料の改質が十分に進む温度であり、例えば、６００℃とすることができる。
そして、改質器６の温度が所定温度（Ｔ２４）以上まで上昇したと判定すると、制御器２０は、改質用空気供給器１３を制御して改質用空気の供給を停止させる。なお、所定温度Ｔ２４は、改質水および改質用空気の供給開始時点から所定時間経過後の温度であり、例えば、６５０℃とすることができる。この所定温度（Ｔ２４）は、ＳＲ工程のみだけで発電に必要な改質ガスが生成可能となる時点での改質器６の温度であり、シミュレーション等によって予め求めておくことができる。そして、シミュレーション等によって予め求めた所定温度（Ｔ２４）に関する情報を制御器２０が備えるメモリ（不図示）に予め記憶させておいてもよい。
そして、改質器６の温度が所定温度（Ｔ２５）以上まで上昇したと判定すると、制御器２０は、通常の発電時に供給する空気流量となるまで、発電用空気の供給量を増加させるように発電用空気供給器１１を制御する。増加後の発電用空気の供給量は、燃焼室５の燃焼に関与する空気の空気過剰率（λ）が例えば、４．０〜１０．０となるように設定されている。なお、所定温度（Ｔ２５）は、通常の発電時における改質器６よりも高い温度であり、例えば７３０℃とすることができる。この温度もまたシミュレーション等によって予め求めておき、制御器２０が備えるメモリ（不図示）に予め記憶させておいてもよい。
このように、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１では、改質水が燃料電池モジュール１に供給されてから、ＳＲ工程が行われるまでの所定の期間（改質器６の温度がＴ２５以上となるまでの期間）で、発電用空気の供給量を段階的に増加させる。
なお、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１は、図８に示すように、着火時に供給した発電用空気の流量を、３段階に分けて増加させ、通常の発電時に必要となる発電用空気の流量とする構成であった。しかしながら、発電用空気の流量を段階的に増加させる回数は上記した３回に限定されるものではなく２回であってもよいし４回以上であってもよい。
以上のように、実施形態の変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１の起動シークエンスでは、オフガスへの着火前に、大量の発電用空気を供給して空気パージを行なった後、着火時に流量を低減させた状態で発電用空気の供給を継続させるとともに、原料の供給を開始し、改質水の供給後に、発電用空気の供給量を段階的に増加させるようになっている。
このように、オフガスへの着火前に空気パージを行うことにより、セル３内に残存していた水分および残留ガスが除去されるため、燃焼室５における着火安定性を高め、一酸化炭素の発生を抑制することもできる。また、発電用空気の供給量を段階的に増加させるため、変形例２に係るＳＯＦＣシステム１０１では、被加熱体が過昇温となることを防ぐことができる。
特に、上記した変形例２では、起動シークエンスにおいて、改質器６にて実施される改質反応は、ＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程を経てＳＲ工程となる。ここで、ＰＯＸは発熱反応であるため、実施形態１のようにＳＲ工程のみを実施する構成と比較してセルスタック４および改質器６が過昇温となる可能性が高い。そこで、発電用空気の供給量を段階的に増加させ過昇温を防ぐことができる構成は有利である。
なお、上記したＴ１〜Ｔ４、Ｔ１１〜Ｔ１５、およびＴ２１〜Ｔ２５の温度それぞれは改質器６における改質反応をＳＲのみ行う場合、ＡＴＲおよびＳＲの順に行う場合、ＰＯＸ、ＡＴＲ、およびＳＲの順に行う場合それぞれにおける一例であって、これらの温度に限定されるものではない。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の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、本発明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。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明に係るＳＯＦＣシステムは、起動時に原料を着火し、生成した燃焼排ガスの有する熱により改質器等を加熱し、改質反応を実施する家庭用燃料電池システム、業務用燃料電池システム、あるいは各種電源供給システム等の用途に広く利用できる。
１ 燃料電池モジュール
２ 補機
３ セル
４ セルスタック
５ 燃焼室
６ 改質器
７ 空気予熱器
８ 着火器
１０ 原料供給器
１１ 発電用空気供給器
１２ 水供給器
１３ 改質用空気供給器
１８ スタック温度検知センサ
１９ 改質器温度検知センサ
２０ 制御器
１００ ＳＯＦＣシステム
１０１ ＳＯＦＣシステム

Claims (4)

  1. 燃料ガスと発電用空気とを反応させて発電するセルスタックと、
    原料を改質して前記燃料ガスを生成し、前記セルスタックに供給する改質器と、
    前記改質器に原料を供給する原料供給器と、
    前記改質器に改質水を供給する水供給器と、
    前記発電用空気を前記セルスタックに供給する空気供給器と、
    前記セルスタックから排出されたオフガスを燃焼させ、この燃焼にともなって生じた熱により前記セルスタックおよび前記改質器を加熱する燃焼室と、
    前記燃焼室においてオフガスに着火する着火器と、
    制御器と、を備え、
    前記制御器は、
    起動シーケンスにおいて、前記原料供給によって前記改質器に前記原料を供給させ、かつ前記空気供給器によって前記セルスタックに前記発電用空気を供給させるとともに、前記セルスタックから排出された前記オフガスに前記着火器によって着火させ、着火後に前記水供給器によって該改質器へ前記改質水の供給を開始させるように制御しており、
    前記水供給器による前記改質水の供給開始後に、前記空気供給器により前記発電用空気の供給量を段階的に増加させるようにさらに制御する高温動作型燃料電池システム。
  2. 前記制御器は、
    前記オフガスへの着火後、前記改質器が所定温度以上になったとき、前記水供給器によって前記改質器へ前記改質水の供給を開始させるように制御する、請求項１に記載の高温動作型燃料電池システム。
  3. 前記制御器は、
    前記燃焼室における燃焼に関与する空気の空気過剰率が１．０以上でかつ２．０以下となるように、前記水供給器による前記改質水の供給開始時における、前記空気供給器による前記発電用空気の供給量および前記原料供給器による前記原料の供給量を制御する請求項２に記載の高温動作型燃料電池システム。
  4. 前記制御器は、
    前記改質器の温度が所定温度以上になったとき、前記空気供給器により前記発電用空気の供給量を増加させる、請求項１に記載の高温動作型燃料電池システム。
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