JP7162170B2 - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、酸化剤と燃料とを利用して発電を行う燃料電池スタックを備えた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システムでは、燃料電池スタックでの作動温度を高く保つ必要がある。このため、燃料電池スタックでの発電に使用されなかった余剰の燃料（アノードオフガス）を燃焼室において燃焼させ、この燃焼熱を利用する構成が提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１では、燃焼室から排出された燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス排出ラインを介して気化器が接続されており、気化器において燃焼排ガスの熱を利用して改質用水を気化する固体酸化物形燃料電池システムの構成が開示されている。特許文献１に開示された固体酸化物形燃料電池システムでは、この気化器にあらかじめ温度検知器が備えられており、この温度検知器によって検知された温度によって燃料利用率を制御するように構成されている。この構成により、検知された温度が燃料利用率制御用設定温度を下回った場合、燃料利用率を低下させることで、気化器における気化不良の発生を抑制することができる。
また、燃焼室における失火を判定することができる固体電解質型燃料電池が提案されている（例えば、特許文献２）。特許文献２では、燃料電池スタックの上部でアノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させる構成において、制御手段が、所定時間内に、燃焼に起因する温度が所定の温度降下量しきい値以上、降下したと判定したとき失火と判定することができる固体電解質型燃料電池が開示されている。この構成により、特許文献２に係る固体電解質型燃料電池は、燃焼室における失火を直接的に検知することができる。
また、燃焼部（燃焼室）内に配置された改質器の温度を測定し、この温度から間接的に燃焼部の温度を推定する方法も提案されている（例えば、特許文献３）。特許文献３に係る燃料電池装置では、結果的に、改質器の温度と燃焼部の温度とを同時に検知することができる。
また、非特許文献１ではＣＯ－Ｈ２混合気の燃焼に関する研究について開示されている。
特許第５５８８７０９号公報 特許第４６９２９３８号公報 特許第５４１２９６０号公報
西岡牧人、山田智子、川又大祐、川口陽子、「一酸化炭素-水素-窒素同軸流拡散火炎の燃焼特性」、日本燃焼学会誌、２００６年、第４８巻、１４３号、ｐ．１３６－１５０
しかしながら上記した特許文献1～３に係る従来技術の構成では、ＣＯの排出量を抑制するにあたり燃焼時の高温の火炎を直接検知するか、高価な燃焼触媒を下流の燃焼排気ガスライン上に配置し、その周辺温度を検知する必要があった。このため、部品追加の必要性や、検知器の耐久性、検知精度が不十分であるという課題を有していた。
さらに、特許文献1～３に係る従来技術では、火炎が吹き飛ぶような完全失火を検知することはできるが、希薄燃焼場において生じる不完全燃焼等の検知に対応することができない。また、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）における起動制御から発電の間に行われる起動発電制御（発電量を抑制し、スタックを発熱させる運転制御）等において生じる不安定燃焼の検知についても完全には対応することができない。
一方、非特許文献１は、常温かつ燃料側（水素/一酸化炭素）に水を含まない条件下での考察であるため、そのままではＳＯＦＣシステムの燃焼場に、その知見を応用することができないという問題がある。
本発明は一例として、発電時の燃焼における化学反応不良を抑制し、高い信頼性を得ることができるＳＯＦＣシステムを提供することを課題とする。
本発明の一態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスとカソードオフガスとを拡散燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器に流入する前記アノードオフガスの温度を検知する温度検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、発電運転中に前記温度検知器によって検知された前記アノードオフガス温度が、所定時間継続して第１所定温度未満となった場合、および所定時間の間に第２所定温度以上低下した場合のうち、少なくともいずれか１つの場合となったと判定したとき、前記拡散燃焼における化学反応不良を防止する発電制御動作を行うように制御する。
本発明の一態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、以上のように構成され、発電時の燃焼における化学反応不良を抑制し、高い信頼性を得ることができるという効果を奏する。
ＳＯＦＣシステムの燃焼場において、噴出孔から噴出された燃料（アノードオフガス）の温度であるアノードオフガス温度（燃料入口温度）と、その燃焼状態との関係を調べる実験装置の断面構造を示す模式図である。 ＳＯＦＣシステムの燃焼場において、噴出孔から噴出された燃料（アノードオフガス）の温度であるアノードオフガス温度（燃料入口温度）と、その燃焼状態との関係を比較した表である。 ＳＯＦＣシステムの燃焼場におけるアノードオフガス温度と排ガスに含まれるＣＯ濃度との関係の一例を示すグラフである。 ＳＯＦＣシステムの燃焼場の火炎における反応分布の一例を示すグラフである。 ＳＯＦＣシステムの燃焼場の火炎における反応分布の一例を示すグラフである。 ＳＯＦＣシステムの燃焼場における火炎断面の様子を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣシステムの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るＳＯＦＣシステムにおける、発電動作に伴うスタックの温度変化の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣシステムにおける、燃焼における化学反応不良の抑制制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣシステムにおいて燃焼における化学反応不良の抑制制御を行う場合とこの化学反応不良の抑制制御を行わない場合とにおけるアノードオフガス温度とＣＯ濃度との関係の一例を示すグラフである。 本発明の実施の形態の変形例１に係るＳＯＦＣシステムにおける、燃焼における化学反応不良の抑制制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の変形例２に係るＳＯＦＣシステムにおける、燃焼における化学反応不良の抑制制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の変形例３に係るＳＯＦＣシステムにおける、燃焼における化学反応不良の抑制制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の変形例４に係るＳＯＦＣシステムにおける、燃焼における化学反応不良の抑制制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣシステムの運転動作と第１所定温度Ｔ１～第４所定温度Ｔ３との関係を表す図である。
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
アノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼室において混合燃焼させるＳＯＦＣシステムにおいて、酸化物イオン伝導体を電解質材料に採用した酸化物イオン伝導型ＳＯＦＣの場合と、プロトン伝導体を電解質材料に採用したプロトン伝導型ＳＯＦＣの場合とでは燃焼場に違いが生じるものと予想される。つまり、酸化物イオン伝導型ＳＯＦＣは、酸化物イオンが空気極（カソード）側から燃料極（アノード）側に電解質を通過する構成となる。一方、プロトン伝導型ＳＯＦＣは水素イオンが燃料極（アノード）側から空気極（カソード）側に電解質を通過する構成となる。その結果、酸化物イオン伝導型ＳＯＦＣの場合、発電によって生じる水がアノードオフガスに混入する。一方、プロトン伝導型ＳＯＦＣの場合は、発電によって生じる水がカソードオフガスに混入する。そのため、酸化物イオン伝導型ＳＯＦＣと、プロトン伝導型ＳＯＦＣとでは燃焼場に大きな違いが生じると予測される。
また、プロトン伝導型ＳＯＦＣは、酸化物イオン伝導型ＳＯＦＣよりも動作温度が約６００℃と低くなっており、高性能化によりさらに動作温度が低下する可能性がある。
そこで、本発明者らはＳＯＦＣシステムにおける燃焼の性状について鋭意検討を行った。その結果以下の知見を得た。
まず、本発明者らはＳＯＦＣシステムの燃焼場において、噴出孔（アノードオフガス噴出孔）６１から噴出された燃料（アノードオフガス）の温度と、その燃焼状態との関係に注目して、図１に示す実験装置を用いて模擬実験を行った。図１は、ＳＯＦＣシステムの燃焼場において、噴出孔６１から噴出された燃料（アノードオフガス）の温度と、その燃焼状態との関係を調べる実験装置の断面構造を示す模式図である。
まず、実験装置は、図１に示すように、実際のＳＯＦＣ用燃焼バーナを模擬した形状および構成となっている。すなわち、実験装置は、幅約１０ｍｍ、奥行７０ｍｍ、高さ１５ｍｍ程度のお椀型あるいは円環状のステンレス製構造体であり、側面と底面とによって囲まれた空間に燃焼場が形成される。また、燃料を燃焼場に導入するための円孔である噴出孔６１が実験装置の底面に複数個、設けられており、空気を燃焼場に導入するための円孔６２が実験装置の側面に複数個、設けられている。なお、図１では説明の便宜上、図示される噴出孔６１は１つだけであるが、実際は、実験装置は複数の噴出孔６１を備えている。
この実験では、燃料利用率（Ｕｆ）が８０％で動作するＳＯＦＣにおけるアノードオフガスを模擬するため、水素と窒素とを混合させて希薄水素燃料を作成した。そしてこの作成した希薄水素燃料を、実験装置の底面に形成された複数の噴出孔６１を介して、該底面から上方に向かって噴出させた。一方、カソードオフガスである空気は、炎の拡散性を向上させるために実験装置の側面に形成された複数の円孔６２を介して、側面から燃焼場の中心に向かって噴出させた。そして、燃焼場ではアノードオフガスとカソードオフガスとを拡散混合させて燃焼させた。このとき、最も燃焼にとって良好な条件（空気比：λ＝１．５、燃料の吹出流速２．０～２．７ｍ/ｓ）を考慮して比較実験を実施した。
比較実験では、供給される希薄水素燃料および空気の温度を、実験装置の燃焼場の下方（実験装置の底面）に配置されたヒーター６３によって調整した。そして、噴出孔６１から噴出される燃料の温度（アノードオフガス温度）が常温（ヒーター６３をｏｆｆした状態）となる場合、３００℃となる場合、および６００℃となる場合それぞれについて、燃焼状態を比較した。その結果、図２に示す結果を得た。図２は、ＳＯＦＣシステムの燃焼場において、噴出孔６１から噴出された燃料（アノードオフガス）の温度であるアノードオフガス温度と、その燃焼状態との関係を比較した表である。
図２に示すように、アノードオフガス温度がＳＯＦＣの正常動作温度に相当する６００℃では正常な燃焼を維持できたが、３００℃まで低下すると複数ある噴出孔６１に形成された火炎のうち、数本の火炎において失火が見られた。さらに常温（ヒーター６３をｏｆｆにした状態）では火炎が不安定化し燃焼場において部分失火が確認された。なお、この部分失火とは、実験装置において複数の噴出孔６１が設けられており、そのうちの１ブロック（概ね、全体の４分の１）以上の火炎が失火した状態を意味する。
図２に示す実験結果によって示される現象は、拡散燃焼器を用いた模擬ガス燃焼においても一般的に発生する現象であり、この現象が生じる原因については解明されていない。このため、現状では、ＳＯＦＣシステムにおける燃焼不安定性を抑制するために、経験則的に、燃焼場の温度をできるだけ高く維持できるような構成としてきた。具体的には、ＳＯＦＣシステムにおいて吸熱体である蒸発器および改質器と燃焼場との間に一定の距離を設けるよう設計する等、ＳＯＦＣシステムが備える各部材の配置を工夫することで対処してきた。
次に、本発明者らは、ＳＯＦＣシステムの燃焼場で実施される拡散燃焼の特徴を考慮して、この燃焼状態についてさらに検討した。まずＳＯＦＣシステムにおける燃焼器による拡散燃焼は、次の特徴を有するものと考えることができる。すなわち、ＳＯＦＣシステムの燃焼場は、高温（約６００℃）下に曝されており、燃焼される燃料に水分が含有され、燃焼状態は希薄燃焼となる特徴がある。
次に、上記した特徴を考慮し、燃焼器における燃焼状態を検討するため、アノードオフガスおよびカソードオフガスを模擬したガスを、燃焼器で拡散燃焼させて、汎用熱流体解析ソフトウエアを用いて数値解析を実施した。各種境界条件を実際のＳＯＦＣの動作点に合わせた条件とした。具体的には、ＳＯＦＣの運転条件を、ＡＣ７００Ｗ（定格）相当、燃料利用率８０％、空気流量４５ＮＬＭ、Ｓ／Ｃ＝２．５とした。
まず燃焼場におけるアノードオフガス温度変化による燃焼状態の影響を数値解析によって検討するため、アノードオフガス温度を７００℃から順次低下させ、排気ガスに含まれるＣＯ濃度の変化を調べた（図３参照）。図３は、ＳＯＦＣシステムの燃焼場におけるアノードオフガス温度と排ガスに含まれるＣＯ濃度との関係の一例を示すグラフである。図３では、酸化物イオン伝導型ＳＯＦＣを備えたＳＯＦＣシステムにおいてアノードオフガス温度とＣＯ濃度との関係を、グラフ上の黒丸で示している。また、プロトン伝導型ＳＯＦＣを備えたＳＯＦＣシステムにおいてアノードオフガス温度とＣＯ濃度との関係を、グラフ上の黒で塗りつぶした四角で示している。
酸化物イオン伝導型ＳＯＦＣを備えたＳＯＦＣシステムの場合、図３に示すように、燃焼場におけるアノードオフガス温度が７００℃から５００℃まで低下する間は、ＣＯの濃度に大きな変化なく、特に問題はない。しかしながら、アノードオフガス温度が４００℃まで低下すると燃焼場において形成された火炎が不安定化し、ＣＯの濃度が大きくなった。つまり、ＣＯの排出量が大きくなった。さらに、アノードオフガス温度を２００℃まで低下させると、大量のＣＯが排出され、火炎内での燃焼化学反応が不安定化していることがわかった。このような数値解析上の現象は、図２に示した実験結果とも一致するものであった。
一方、プロトン伝導型ＳＯＦＣを備えたＳＯＦＣシステムの場合、図３に示すように、燃焼場におけるアノードオフガス温度が、７００℃から５００℃まで低下する間は、ＣＯの濃度に大きな変化なく、特に問題はない。しかしながら、５００℃から４００℃まで低下するにつれて、ＣＯの濃度が徐々に高くなっていった。つまり、５００℃から４００℃までアノードオフガス温度が低下するにつれ、火炎が不安定化し、順次、ＣＯの排出量が大きくなっていった。さらに常温（２７℃）まで低下させた場合、大量のＣＯが排出され、火炎内での燃焼化学反応が不安定化していることがわかった。
そこで、本発明者らは、上記した燃焼場におけるアノードオフガス温度とＣＯ濃度（ＣＯ排出量）との関係を分析するため、火炎内における各種化学反応について分析をした。この分析は、燃料電池のセル（固体電解質型セル）の電解質材料として、プロトン伝導体を用いた場合の構成について行っており、その分析結果を図４、５に示す。図４、５は、ＳＯＦＣシステムの燃焼場の火炎における反応分布の一例を示すグラフである。
図４では、アノードオフガス温度が６００℃の場合のときの、火炎における反応分布について示している。一方、図５では、アノードオフガス温度が２７℃の場合のときの、火炎における反応分布について示している。また、図４、５の縦軸は火炎内で発生する化学反応、特にはＯＨおよびＣＯそれぞれの反応の割合を示している。図４、５において破線は、ＯＨの反応率の変化を示しており、実線はＣＯの反応率の変化を示している。一方、図４、５の横軸は高さ方向（垂直方向）における火炎７０の基端７０ａ（後述の図６参照）からの距離を示しており、紙面左から右に向かうにつれて、距離が大きくなる。なお、高さ方向における火炎７０の基端７０ａからの距離とは、換言すると図６に示すように、噴出孔７５から噴出された燃料に着火し形成された火炎７０の中心軸оに沿った、噴出孔７５からの距離である。図６は、ＳＯＦＣシステムの燃焼場における火炎断面の様子を模式的に示す図である。なお、火炎断面は、図６に示すように、火炎７０の外縁に形成された高温部となる領域である火炎面領域７１と、該火炎面領域７１の内側領域である中心領域７２とに分かれている。また、火炎断面において中心軸о上の最高温度位置を火炎７０の先端部７０ｂとする。
図４に示すように、アノードオフガス温度が６００℃のとき、火炎７０の基端７０ａからの距離が約７．５ｍｍの範囲、すなわち火炎７０の先端部７０ｂの位置で最もＣＯが反応することが分かる。また、火炎７０の基端７０ａから４～６ｍｍの範囲では、ＯＨの反応率がマイナス側に変化するとともに、ＣＯの反応率がプラス側に変化している。つまりこの４～６ｍｍの範囲ではＯＨの生成反応（化学反応式（３）の逆反応）と、ＣＯとＯＨの反応（化学反応式（２）の正反応）とが同時に起こる、水性ガスシフト反応（化学反応式（１））が見られることが分かった。
水性ガスシフト反応：
ＣＯ+Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２+Ｈ２ ・・・（１）
ＣＯ+ＯＨ⇔ＣＯ２+Ｈ ・・・（２）
ＯＨ+Ｈ２⇔Ｈ２Ｏ+Ｈ ・・・（３）
つまり、ＳＯＦＣシステムにおける燃焼は、上記した特徴（高温（約６００℃）、燃料に水分を含有、希薄燃焼）を有するため、燃焼器においてアノードオフガスの吹出直後から該アノードオフガスに含まれる水分が高温で分解され、ＯＨが生成される（化学反応式（３）の逆反応）。そのＯＨとＣＯとが反応して（化学反応式（２）の正反応）、ＣＯ２に変化する現象が火炎７０内で生じていることが分かった。
また、アノードオフガス温度を低下させ５００℃以下となると、火炎７０の基端７０ａから４～６ｍｍの範囲における水性ガスシフト反応の反応率が急激に低下し、常温（アノードオフガス温度が２７℃）では、図５に示すようにＣＯおよびＯＨともほぼ無反応になることが分かった。
以上のように、アノードオフガス温度の低下が、火炎７０の基端７０ａから４～６ｍｍの範囲で発生する水性ガスシフト反応を低下させ、大量のＣＯ排出を引き起こしている事がわかった。
また、上記した解析結果から、ＳＯＦＣシステムの燃焼場において、ＣＯ、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、Ｈ２が図６に示すように移動することを本発明者らは見出した。図６に示すように、噴出孔７５から吹出したアノードオフガスのうち、温度に依存して高い拡散性を示すＨ２は高温となる火炎面領域７１へ引き寄せられ、Ｈ２と比較してさほど拡散性の高くないＣＯはそのまま火炎７０の中心軸оに沿って中心領域７２内を上昇する。そしてＣＯは火炎７０の中心領域７２において水性ガスシフト反応によりＣＯ２となり、Ｈ２は火炎７０の火炎面領域７１において反応する。このような火炎７０の性状はラジカル成分を可視化した写真においても確認された。
上記のような検討から、本発明者らは、Ｈ２／ＣＯ系燃焼において火炎を不安定化させる要因として、アノードオフガス温度の低下を発見した。また、上記した水性ガスシフト反応の有無に伴う火炎の状態変化は、従来のように火炎の外炎等の温度検知では見出すことができなかった現象である。そして、本発明者らは、アノードオフガス温度が所定温度以下まで低下したとき、ＳＯＦＣシステムの発電制御動作を、燃焼化学反応不良を防止する動作に切り換えることで燃焼が不安定となることを抑制することができるという知見を得た。
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の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスとカソードオフガスとを拡散燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器に流入する前記アノードオフガスの温度を検知する温度検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、発電運転中に前記温度検知器によって検知された前記アノードオフガス温度が、所定時間継続して第１所定温度未満となった場合、および所定時間の間に第２所定温度以上低下した場合のうち、少なくともいずれか１つの場合となったと判定したとき、前記拡散燃焼における化学反応不良を防止する発電制御動作を行うように制御する。
ここで、第１所定温度は、燃焼器に流入するアノードオフガスの温度が、燃焼が不安定となりＣＯ等が排出される温度になりうるか否か予め判定できる温度である。また、所定時間の間に低下する第２所定温度は、固体酸化物形燃料電池システムにおいて異常に伴いアノードオフガス温度が低下しているか否か判定できる、単位時間当たりの、燃焼器に流入するアノードオフガスの温度変化を示すものである。
上記構成によると、温度検知器を備えるため、制御器は燃焼器に流入するアノードオフガスの温度を把握することができる。このため、制御器はアノードオフガス温度から燃焼が不安定となりＣＯ等が排出される状態となりうるか否か判定することができる。
また、制御器は、アノードオフガス温度が、所定時間継続して第１所定温度未満となった場合、および所定時間の間に第２所定温度以上低下した場合のうち、少なくともいずれか１つの場合となったと判定したとき、拡散燃焼における化学反応不良を防止する発電制御動作を行うことができる。
したがって、制御器は、燃焼が不安定となりＣＯ等が排出される状態となる前に、排出されるＣＯ濃度を抑制させるように固体酸化物形燃料電池システムを制御することができる。
よって、本発明の第１の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、発電時の燃焼における化学反応不良を抑制し、高い信頼性を得ることができるという効果を奏する。
本発明の第２の態様に係る固体酸化物形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、前記発電制御動作として、前記燃料電池スタックにおける燃料利用率、前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス流量、および前記燃料電池スタックによる発電量のうち少なくとも一つを低下させるように制御する構成であってもよい。
上記構成によると、制御器は、発電制御動作として、前記燃料電池スタックにおける燃料利用率を低下させるように制御することができる。ここで、制御器は、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの流量を大きくするように制御することで、燃料利用率を低下させることができる。あるいは、燃料電池スタックでの発電量を低下させることで燃料利用率を低下させることができる。いずれの場合であってもアノードオフガスに含まれる水素濃度が高くなるため拡散燃焼における火炎の温度を高めることができる。
また、制御器は、発電制御動作として、燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス流量を低下させるように制御することができる。このため、固体酸化物形燃料電池システム全体の温度を高めることができ、これによって火炎の温度を高めるとともに、アノードオフガスの温度も高めることができる。
また、制御器は、発電制御動作として、燃料電池スタックによる発電量を低下させるように制御することができる。このため発電量を低下させることで発電に利用されるＨ２を低減させ、アノードオフガスに含まれるＨ２濃度を高めることができるため、火炎の温度を高めることができる。
以上のように制御器は、上記した発電制御動作の少なくとも一つを実施することができるため、火炎の温度を高め、火炎内において生じる水性ガスシフト反応を促進させて排出されるＣＯ濃度を抑制することができる。
本発明の第３の態様に係る固体酸化物形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、前記発電制御動作として、前記燃料電池スタックにおける燃料利用率および前記燃料電池スタックによる発電量のうち少なくとも一つを低下させるように制御する構成であってもよい。
本発明の第４の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１から第３の態様のいずれか１つの態様において、前記制御器は、前記発電制御動作中に、前記アノードオフガス温度が、所定時間継続して、前記第１所定温度よりも低い設定温度である第３所定温度未満となったと判定した場合、前記発電制御動作を停止させて、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給を継続させたまま前記燃料電池スタックにおける発電を停止させるＯＣＶ運転に切り換えるように制御してもよい。
ここで、第３所定温度は、燃焼が不安定となりＣＯ等の排出量が大きくなり始める際の、燃焼器に流入するアノードオフガスの温度とすることができる。
上記構成によると、発電制御動作中に所定時間継続して第３所定温度未満となったと判定した場合、制御器は、ＯＣＶ運転に切り換えるように制御することができる。ここでＯＣＶ運転では、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスは、発電に利用されるべきＨ２も含んだ状態となっているため、上記した発電制御動作よりも、より一層、アノードオフガスに含まれる水素濃度が高くなる。このため、発電制御動作中よりも火炎の温度を高めることができる。
したがって、燃焼器に流入するアノードオフガスの温度低下がさらに進み、ＣＯ等の排出量が大きくなり始める温度まで達したときは、ＯＣＶ運転に切り換えて火炎の温度をより一層高めることで、ＣＯの水性ガスシフト反応を促進し、排気ガス中に含まれるＣＯ等の排出量の抑制を行うことができる。
本発明の第５の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１から第３の態様のいずれか１つの態様において、前記燃料電池スタックは、プロトン伝導体電解質を含む、複数の固体電解質型セルを備えていてもよい。
本発明の第６の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第４の態様において、前記第３所定温度は４００℃であってもよい。
本発明の第７の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第４の態様において、前記第３所定温度は５００℃であってもよい。
本発明の第８の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第４の態様において、前記制御器は、前記ＯＣＶ運転中に、前記アノードオフガス温度が、所定時間継続して、前記第３所定温度よりも低い設定温度である第４所定温度未満となったと判定した場合、当該固体酸化形燃料電池システムの運転を停止させるように制御してもよい。
本発明の第９の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第８の態様において、前記第４所定温度は、２００℃であってもよい。
本発明の第１０の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１～第９の態様のいずれか１つの態様において、前記温度検知器は、前記燃料電池スタックの周囲に配置され、前記燃焼器に流入する前記アノードオフガスの温度を直接的に示す情報または間接的に示す情報を検知してもよい。
ここで、アノードオフガスの温度を直接的に示す情報とは、アノードオフガスの温度そのものの情報であり、間接的に示す情報とは、アノードオフガスの温度と対応して変動する例えば、燃料電池スタックの温度等である。
第１１の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは、上記した第１～第１０のいずれか１つの態様において、前記発電運転は、起動制御運転後であって、前記燃料電池スタックの温度が発電により外部負荷に対して安定的に電力を供給可能とする温度に達する前までの期間に行われる、定格出力となる電力よりも小さい電力を取り出すことにより燃料電池スタックに発電熱を発生させて該燃料電池スタックを昇温させる起動発電制御運転であってもよい。
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
［実施の形態］
（ＳＯＦＣシステムの構成）
まず、図７を参照して本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００の構成について説明する。図７は、本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００の一例を示す図である。なお、図７において（他の図面も同じ）、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７に示す例では、ＳＯＦＣシステム１００は、改質器２と、蒸発器４と、酸化剤ガス供給経路５と、ＳＯＦＣスタック（燃料電池スタック）６と、酸化剤ガス熱交換器７と、アノードオフガス排出経路１１と、改質ガス供給経路１３と、混合ガス供給経路１４と、燃焼器２０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、制御器４０、原燃料供給器４１と、空気供給器４２と、水供給器４３と、酸化剤ガス供給器４４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、ＳＯＦＣ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。
改質器２は、炭化水素系の原燃料を改質することで水素含有の改質ガスを生成する。本実施形態では、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るものではない。
但し、改質器２が側壁部を備えた構成とした場合、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。本実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００では、例えば、改質器２内に改質触媒２Ｅの量を必要量（例えば、約２００g程度）、確保したうえで、燃焼排ガスが保有する熱が改質触媒２Ｅ全体へ十分に伝わるように、内壁２Ａと外壁２Ｂとの間隔（つまり、側壁部の厚み）を、約１０ｍｍ程度に設定した構成とすることができる。なお、このような改質器２の具体例は例示であって、本例に限定されない。
ここで、実施の形態に係る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。これらの内壁２Ａおよび外壁２Ｂは、例えば、径の異なる矩形筒体であってもよい。
但し、実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００の如く、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。以上により、ＳＯＦＣシステム１００の低コスト化が図れる。
また、実施の形態に係る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７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、改質触媒の触媒粒子の通過を阻止し、改質ガスの通気を許すような大きさ（例えば、直径１－３ｍｍ程度の丸穴）で内壁２Ａに形成されている。
また、改質ガス供給経路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、改質ガス供給経路１３の上端部は、改質器２内の空間から改質ガス供給経路１３への改質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。改質ガス供給経路１３の下端部は、ＳＯＦＣ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。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および部分酸化反応などを挙げることができる。なお、改質触媒の触媒金属には、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。図７には示されていないが、上記の改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、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４３（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、さらに、改質器２に改質用空気を供給する空気供給器４２（例えば、ブロア）などが設けられる。
なお、改質器２に送る原燃料としては、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等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燃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。
実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００では、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。すなわち、水蒸気と原燃料ガスとは、高温状態（約４００～７００℃）で、改質器２へ供給される。そして、改質器２では、その内部に充填された改質触媒２Ｅの層内で水蒸気改質反応によって生成されたＨ２、ＣＯ２、およびＣＯと、一部未改質ガスと、水蒸気と、からなる改質ガス（燃料ガス）が生成される。生成された改質ガスは、改質ガス供給経路１３を通じてＳＯＦＣスタック６のアノードに供給される。また、改質器２の上板部材２Ｕの直上に、蒸発器４が設けられている。
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、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００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。これらの内壁４Ａおよび外壁４Ｂは、例えば、径の異・BR>ネる矩形筒体でもよい。
但し、実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００の如く、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。以上により、ＳＯＦＣシステム１００の低コスト化が図れる。
図７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、原燃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。
なお、蒸発器４は、改質器２と接触して配置されていれば、どのような構成であっても構わない。例えば、ＳＯＦＣシステム１００の如く、蒸発器４と改質器２とが、上から下に向かう方向においてこの順に並んでおり、蒸発器４の側壁部と改質器２の側壁部とが、蒸発器４の底部４Ｅを介して接触する構成であってもよい。
以上により、蒸発器４を改質器２と接触して配置させることで、ＳＯＦＣシステム１００の構成を簡素化することができる。つまり、蒸発器４および改質器２を上下方向において並ぶように一体的に配置することで、例えば、蒸発器４と改質器２とを別体に設ける場合に比べ、ＳＯＦＣシステム１００を簡素に構成できる。
ＳＯＦＣスタック６は、改質ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する。ＳＯＦＣスタック６のカソードには、酸化剤ガス供給経路５を通じて酸化剤ガスが供給され、ＳＯＦＣスタック６のアノードには、改質ガス供給経路１３を通じて改質ガスが供給されている。ＳＯＦＣスタック６では、ＳＯＦＣ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。ＳＯＦＣ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。本実施形態では、ＳＯＦＣスタック６は、平板型の単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型スタックで構成されている。なお、ＳＯＦＣシステム１００には、ＳＯＦＣスタック６の発電電流を取り出すための電極（図示せず）などが設けられている。ＳＯＦＣスタック６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。
また、ＳＯＦＣスタック６の外周には、ＳＯＦＣスタック６の温度を検知する第２温度検知器１５が設けられている。第２温度検知器１５は、ＳＯＦＣスタック６の温度を検知できる位置であればよく、ＳＯＦＣスタック６に直接、設けられていてもよいし、ＳＯＦＣスタック６の近傍に設けられてもよい。第２温度検知器１５は、例えば、熱電対、サーモパイルなどから構成することができ、検知結果を制御器４０に送信する。
酸化剤ガス供給経路５は、ＳＯＦＣスタック６のカソードに送るための酸化剤ガスが流通する流路である。具体的には、酸化剤ガス供給器４４（例えば、ブロアなど）により酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給経路５に供給された後、ＳＯＦＣスタック６へと送られる。酸化剤ガスとして、例えば、空気などを例示できる。
酸化剤ガス供給経路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、内壁５４は、ＳＯＦＣシステム１００の容器の上壁５２からＳＯＦＣスタック６の下方へ延伸し、ＳＯＦＣ１の底部を覆っている。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、ＳＯＦＣ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、ＳＯＦＣスタック６の発電に使用しなかったＨ２と、発電によってＨ２から生成されたＨ２Ｏ（水蒸気）または原燃料に添加されたＨ２Ｏ（水蒸気）等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に流入し、このアノードオフガス排出経路１１を通過した後、燃焼器２０へと送られる。実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００では、アノードオフガス排出経路１１は、ＳＯＦＣ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へ至るように延伸している。なお、ここでは、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。また、アノードオフガス排出経路１１には、燃焼器２０に供給されるアノードオフガスの温度を検知するための第１温度検知器１２が設けられている。第１温度検知器１２は、例えば、熱電対、サーモパイルなどから構成することができ、検知結果を制御器４０に送信する。
第１温度検知器１２は燃焼器２０に供給されるアノードオフガスの温度を検知できればアノードオフガス排出経路１１の任意の場所に設けることができる。例えば、アノードオフガス排出経路１１の端部に形成されたアノードオフガスを燃焼器２０に噴出させる噴出孔近傍に第１温度検知器１２を設ける構成としてもよい。また、第１温度検知器１２を設ける位置は、上記したアノードオフガス排出経路１１に限定されるものではなく、アノードオフガスの入口温度（アノードオフガス温度）を検知できる位置であればよく、例えば、燃焼器２０の内部または燃焼器２０の側面等であっても良い。
このように、実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００は、上記した従来技術のように火炎の後流または火炎自体の温度を検知する構成ではなく、アノードオフガス排出経路１１に第１温度検知器１２を配置し、燃焼器２０へ供給されるアノードオフガスの温度を検知する構成としている。つまり、燃焼器２０から噴出されるアノードオフガスの温度（アノードオフガス温度）を検知する構成となっている。
カソードオフガス排出経路は、ＳＯＦＣ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、ＳＯＦＣスタック６の発電に使用しなかった酸化剤ガス（カソードオフオフガス）が、このカソードオフガス排出経路を通過した後、燃焼室２５へと送られる。本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、カソードオフガス排出経路は、ＳＯＦＣ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。
酸化剤ガス熱交換器７は、酸化剤ガス供給経路５を流れる酸化剤ガスと内壁５４内を流れる燃焼排ガスとの間で熱交換させる。つまり、酸化剤ガス熱交換器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、常温の酸化剤ガス（空気）は、酸化剤ガス供給経路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、酸化剤ガスは、ＳＯＦＣスタック６の内部改質の反応熱を利用し、ＳＯＦＣスタック６の発電反応に必要な温度まで加熱され、ＳＯＦＣスタック６を収容する容器の下部からＳＯＦＣ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。排出された燃焼排ガスは、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へと送られる構成であってもよい。
燃焼器２０は、ＳＯＦＣ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室２５内に噴出させ、該燃焼室２５内で拡散燃焼させる。本実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００では、ＳＯＦＣスタック６から排出されたアノードオフガスを円環状の燃焼器２０に供給して燃焼室２５内へ所定の速度で噴出させるとともに、ＳＯＦＣスタック６から排出されたカソードオフガスを、燃焼器２０の周囲から燃焼室２５内へ吹き出させるように構成されている。そして、燃焼室２５内においてアノードオフガスに着火させ、燃焼器２０周囲から吹き出されたカソードオフガスとともに拡散燃焼させる。
具体的には、燃焼器２０は、ＳＯＦＣ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室２５内に噴出させるための孔である、複数のアノードオフガス噴出孔２１が設けられたアノードオフガス集合部２２を備えている。アノードオフガス集合部２２は、ＳＯＦＣ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。
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、図７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。本実施形態では、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が改質ガス供給経路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、本実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００では、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を通過させるように構成することで、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の燃焼性をさらに向上させることができる。例えば、ＳＯＦＣ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、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を通過したカソードオフガスとが燃焼する。
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、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００の如く、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。以上により、ＳＯＦＣシステム１００の低コスト化が図れる。
制御器４０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る。制御器４０は、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどで例示できる演算処理部と、メモリなどで例示できる記憶部とを備え、ＣＰＵ等がメモリに記憶されたプログラムを読み出し、実行することで各種制御を実行することができる。
実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００では、制御器４０は、例えば、第１温度検知器１２によって検知された検知結果（検知された情報）を受けつけ、該検知結果に基づき、燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作にＳＯＦＣシステム１００の運転動作を切り換えるように制御する。なお、燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作の詳細については後述する。
（ＳＯＦＣシステムの発電動作に伴うスタック温度変化）
次に、上記した構成を有するＳＯＦＣシステム１００の起動から停止に至るまでの一連の発電動作に伴うＳＯＦＣスタック６のスタック温度変化について説明する。図８は、本発明の実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００における、発電動作に伴うスタックの温度変化の一例を示す図である。
図８に示すようにＳＯＦＣシステム１００を起動させ、負荷に応じた発電を行う場合、常温（２０℃程度）から安定発電温度（６００～８００℃）まで加温させる必要がある。すなわち、ＳＯＦＣシステム１００の制御運転（運転モード）が起動制御運転（起動制御モード）の際には、制御器４０は空気供給器４２および原燃料供給器４１（例えば、昇圧ポンプ）を制御して、常温のＳＯＦＣスタック６のアノード側に改質用空気および炭化水素系の例えば都市ガスなどの原燃料を導入する。つまり、原燃料と、改質用空気とを予め混合させて、蒸発器４および改質器２を経由してＳＯＦＣスタック６のアノードに供給する。また、制御器４０は、酸化剤ガス供給器４４を制御して、カソード側には発電空気（酸化剤ガス）を導入する。そして、制御器４０は不図示の着火装置を制御して、ＳＯＦＣスタック６のアノード側から排出されたアノードオフガスに着火させ、カソード側から排出されたカソードオフガスと燃焼させる。
燃焼熱により改質器２が加熱され温度が上昇すると、以下の化学反応式（４）で示す部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が進行する。この部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は発熱反応であるので、この反応熱をＳＯＦＣシステム１００の温度上昇に寄与させることができ、ＳＯＦＣシステム１００の起動性を良好とする事ができる。部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が進行しても、燃焼室２５内におけるアノードオフガスとカソードオフガスとの燃焼反応は持続する。
ＣｍＨｎ＋ｍ／２Ｏ２ → ｍＣＯ＋ｎ／２Ｈ２ ・・・（４）
部分酸化改質反応（ＰＯＸ）の実行開始から所定時間経過後、あるいは設定された温度以上に改質器２が加熱された後、制御器４０は、原燃料供給器４１、空気供給器４２、および水供給器４３を制御して原燃料と改質用空気と蒸発器４で蒸発させた水蒸気とを予め混合させた状態で改質器２に供給させる。改質器２においては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と、以下の化学反応式（５）に示す水蒸気改質反応（ＳＲ）とが併用されたオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）が行われる。このオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、熱的にバランスが取れるため改質器２内では熱自立しながら反応が進行する。
ＣｍＨｎ＋ｍＨ２Ｏ → ｍＣＯ＋（ｎ／２＋ｍ）Ｈ２ ・・・（５）
オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）の実行開始から所定時間経過後、あるいは設定された温度以上に改質器２が加熱された後、制御器４０は、空気供給器４２を制御して改質用空気の供給を停止させる。これにより、原燃料と水蒸気とを予め混合させた状態で改質器２に供給させ、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）から水蒸気改質反応（ＳＲ）に移行させる。この水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるが、この時点では既に改質器２の周囲は十分高温（５００～６００℃）になっているため、ＳＯＦＣスタック６を安定的に温度上昇させることができる。
温度上昇してＳＯＦＣスタック６のスタック温度が定格負荷で安定的に発電動作させる際のスタックの温度である定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、制御器４０は不図示の開閉器等を制御してＳＯＦＣスタック６を含む発電回路を閉じる。それにより、ＳＯＦＣスタック６は発電を開始し、発電回路に電流が流れる。発電にともなって、セル、スタック自体は発熱し、さらに温度上昇する。その結果、ＳＯＦＣスタック６の温度を定格温度まで上昇させる事ができる。セルを構成する電解質として酸化物イオン伝導電解質を用いた酸化物イオン伝導型ＳＯＦＣの場合、定格温度は６００～８００℃となる。一方、セルを構成する電解質としてプロトン伝導電解質を用いたプロトン伝導型ＳＯＦＣの場合は約６００℃となる。このため、上記した定格温度よりも低い所定の発電温度は、酸化物イオン伝導型ＳＯＦＣでは５００～７００℃、プロトン伝導型ＳＯＦＣでは約５００～５５０℃となる。その後、ＳＯＦＣシステム１００において、制御器４０が定格温度以上を安定して維持できると判定すると、負荷追従運転（発電制御運転）を開始させる。なお、この負荷追従運転の状態にあるときを正常運転と称する。
ところで、図８に示すように、特に、ＳＯＦＣシステム１００における起動制御運転後であって、ＳＯＦＣスタック６の温度が、外部負荷に対して安定的に電力が供給されるように発電が行われる際の温度（約６００℃）に達する前までの期間では起動発電制御運転が行われる。起動発電制御運転は、ＳＯＦＣスタック６の温度が約５３０℃以上で６００℃未満となる範囲で実施される。そして、起動発電制御運転では、定格出力となる電力よりも小さい電力を取り出すように制御することで、セルに発電熱を発生させてＳＯＦＣスタック６を昇温させている。このように、起動発電制御運転では、ＳＯＦＣスタック６の温度が約６００℃まで達しておらず、低温化しやすい。それ故、起動発電制御運転ではアノードオフガス温度が低下し、火炎Ｆ内での燃焼化学反応が不安定化する可能性がある。
そこで、起動発電制御運転のようにアノードオフガス温度が低下する可能性がある発電運転中において、火炎Ｆ内での燃焼化学反応が不安定化することを抑制するために、ＳＯＦＣシステム１００では以下に示す、燃焼における化学反応不良の抑制制御を行う。
（燃焼における化学反応不良の抑制制御）
次に、上記した構成を有するＳＯＦＣシステム１００において生じる燃焼における化学反応不良を抑制する制御方法について図９を参照して説明する。図９は、本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００における、燃焼における化学反応不良の抑制制御の一例を示すフローチャートである。なお、以下において、燃焼における化学反応不良の抑制制御を単に化学反応不良の抑制制御と称する場合がある。
図９に示されるように、ＳＯＦＣシステム１００の発電運転中において、燃焼器２０に流入するアノードオフガスの温度を第１温度検知器１２によって検知する（ステップＳ１１）。そして、制御器４０は、第１温度検知器１２による検知結果に基づき、検知されたアノードオフガスの温度（アノードオフガス温度）が所定時間の間継続して、第１所定温度Ｔ１未満になったか否か判定する（ステップＳ１２）。
つまり、上記したようにアノードオフガス温度、すなわち第１温度検知器１２によって検知されたアノードオフガス温度が所定温度（後述の第３所定温度Ｔ２）未満まで低下することにより燃焼室２５における燃焼が不安定となり排出されるガス中のＣＯ濃度が上がる。そこで、このステップＳ１２によってＳＯＦＣシステム１００において燃焼が不安定となる前に、燃焼が不安定となる可能性があるか否か判定している。また、「所定時間の間継続して」としたのは、誤検知等により第１温度検知器１２によって検知されたアノードオフガス温度が第１所定温度Ｔ１未満となった場合を除外するためである。
したがって、第１所定温度Ｔ１は、燃焼が不安定となりＣＯ等が排出されるアノードオフガス温度となりうるか否か判定できる温度である。具体的には、第１所定温度Ｔ１は、燃焼が不安定となりＣＯ等が排出される際のアノードオフガス温度よりも高い温度であって、外乱の影響または設定値の変更等により生じるＳＯＦＣシステム１００の運転温度の変化に連動して変化するアノードオフガス温度の変化幅を考慮し設定された温度である。
ここで、制御器４０が、所定時間の間継続して、第１温度検知器１２によって検知されたアノードオフガス温度が第１所定温度Ｔ１未満とならなかったと判定した場合（ステップＳ１２において「ＮＯ」）、第１温度検知器１２によるアノードオフガスの温度検知を繰り返す。
一方、制御器４０が、第１温度検知器１２によって検知されたアノードオフガス温度が、所定時間の間継続して第１所定温度Ｔ１未満となったと判定した場合（ステップＳ１２において「ＹＥＳ」）、制御器４０からの制御指示に基づき、ＳＯＦＣシステム１００は燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を実施する（ステップＳ１３）。
その後、制御器４０が、アノードオフガス温度が所定時間の間継続して第１所定温度Ｔ１以上とならないと判定している間は（ステップＳ１４において「ＮＯ」）、燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を継続する。一方、制御器４０が、アノードオフガス温度が所定時間の間継続して第１所定温度Ｔ１以上となったと判定した場合（ステップＳ１４において「ＹＥＳ」）、燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を停止して、発電運転中の発電動作に切り換え、ステップＳ１１に戻る。
ここで、燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作とは、火炎Ｆの中心領域におけるＣＯの反応（水性ガスシフト反応）を促進させるため、例えば火炎Ｆの温度を上昇させるようにＳＯＦＣシステム１００を制御することである。
実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００では、上記した図９に示す化学反応不良の抑制制御を行うことができるため、火炎Ｆの中心領域における水性ガスシフト反応の低下を抑制し、図１０に示すようにアノードオフガス温度が低下したとしてもＣＯ等の排出を抑制することができる。図１０は、本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００において燃焼における化学反応不良の抑制制御を行う場合とこの化学反応不良の抑制制御を行わない場合とにおけるアノードオフガス温度とＣＯ濃度との関係の一例を示すグラフである。図１０において縦軸はＣＯ濃度を示しており、上に向かうほどＣＯ濃度が大きくなる。横軸は、アノードオフガス温度（℃）を示しており紙面の右に向かうほどアノードオフガス温度が高くなる。また、破線は、化学反応不良の抑制制御を行った場合のＣＯ濃度とアノードオフガス温度との関係を示している。一方、実線は、化学反応不良の抑制制御を行わない場合のＣＯ濃度とアノードオフガス温度との関係を示している。なお、図１０ではプロトン伝導型ＳＯＦＣを備えたＳＯＦＣシステム１００を例に挙げて示している。
アノードオフガス温度が６００℃前後となる範囲が、ＳＯＦＣスタック６が外部負荷に対して安定的に電力を供給するように発電している範囲に相当する。図１０に示すように、この範囲では化学反応不良の抑制制御を行う場合も、行わない場合もともにＣＯ濃度に上昇は見られなかった。ところが、アノードオフガス温度が５００℃より低下すると化学反応不良の抑制制御を行わない場合は、ＣＯ濃度が高くなった。一方、上記した化学反応不良の抑制制御を行う場合は、アノードオフガス温度が２００℃より低下するまではＣＯ濃度の上昇は見られなかった。したがって、上記した化学反応不良の抑制制御を行うことにより、例えば、起動発電制御運転などＳＯＦＣスタック６が低温化しやすい運転モードであっても、水性ガスシフト反応を促進し、ＣＯ排出を抑制できる。
［変形例１］
以下において図１１を参照して燃焼における化学反応不良の抑制制御の変形例１について説明する。図１１は、本発明の実施の形態の変形例１に係るＳＯＦＣシステム１００における、燃焼における化学反応不良の抑制制御の一例を示すフローチャートである。
図１１に示す実施の形態の変形例１に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御は、図９に示す実施の形態に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御と比較して、ステップＳ２２およびステップＳ２４のみが異なり、それ以外のステップについては同様である。このため、主としてステップＳ２２およびステップＳ２４について説明する。
ステップＳ２２において、制御器４０は、第１温度検知器１２による検知結果に基づき、所定時間において検知されたアノードオフガスの温度（アノードオフガス温度）の低下が第２所定温度Ｔ１ａ以上か否か判定する（ステップＳ２２）。例えば、制御器４０は、所定時間として２～３分の間でアノードオフガス温度が第２所定温度Ｔ１ａ（５℃）以上低下したか否か判定する構成としてもよい。この所定時間と第２所定温度Ｔ１ａとは、ＳＯＦＣシステム１００において異常に伴いアノードオフガス温度が低下しているか否か判定できる、単位時間当たりの温度変化を示すものであればよい。所定時間と第２所定温度Ｔ１ａとは、異常が生じている発電運転時において発生する単位時間当たりの温度変化を予め調べておき適宜、設定してもよい。
ここで、制御器４０が、所定時間におけるアノードオフガス温度の低下が、第２所定温度Ｔ１ａ以上とならなかったと判定した場合（ステップＳ２２において「ＮＯ」）、第１温度検知器１２によるアノードオフガスの温度検知を繰り返す。
一方、制御器４０が、所定時間におけるアノードオフガス温度の低下が、第２所定温度Ｔ１ａ以上となったと判定した場合（ステップＳ２２において「ＹＥＳ」）、制御器４０の制御指示に基づき、ＳＯＦＣシステム１００は燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を実施する（ステップＳ２３）。
その後、制御器４０が、所定時間におけるアノードオフガス温度の低下が、第２所定温度Ｔ１ａ未満とならないと判定している間は（ステップＳ２４において「ＮＯ」）、燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を継続する。一方、制御器４０が、所定時間におけるアノードオフガス温度の低下が第２所定温度Ｔ１ａ未満となったと判定した場合（ステップＳ２４において「ＹＥＳ」）、燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を停止して発電運転中の発電動作に切り換え、ステップＳ２１に戻る。
なお、変形例１に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御では、ステップＳ２２において制御器４０は、所定時間におけるアノードオフガス温度の低下がＴ１ａ以上か否か判定し、燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を実施するか否か判定していた。しかしながら、ステップＳ２２における判定条件はこれに限定されるものではなく、例えば、図９に示すステップＳ１２の判定条件と図１１に示すステップＳ２２の判定条件の両方を満たす場合に燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を実施する構成であってもよい。
また、変形例１に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御では、ステップＳ２４において制御器４０は、所定時間におけるアノードオフガス温度の低下が第２所定温度Ｔ１ａ未満となったか否か判定し、燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を停止し、通常の発電動作に切り換えるか否か判定していた。しかしながらステップＳ２４における判定条件はこれに限定されるものではなく、例えば、図９に示すステップＳ１４の判定条件と図１１に示すステップＳ２４の判定条件の両方を満たす場合に燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を停止し、通常の発電動作に切り換える構成であってもよい。
［変形例２］
以下において図１２を参照して燃焼における化学反応不良の抑制制御の変形例２について説明する。図１２は、本発明の実施の形態の変形例２に係るＳＯＦＣシステム１００における、燃焼における化学反応不良の抑制制御の一例を示すフローチャートである。
図１２に示す実施の形態の変形例２に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御は、図９に示す実施の形態に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御と比較して、ステップＳ３３のみが異なり、それ以外のステップについては同様である。このため、主としてステップＳ３３について説明する。
具体的には変形例２に係るＳＯＦＣシステム１００では、実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００においてステップＳ１３で実施していた燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作として、ステップＳ３３において制御器４０がＳＯＦＣスタック６における燃料利用率、発電空気（酸化剤ガス）の流量、およびＳＯＦＣスタック６で発電する発電量のうち少なくとも一つを低下させるように制御する。
すなわち、制御器４０は、原燃料供給器４１を制御して供給する原燃料の流量を大きくすることでＳＯＦＣスタック６における燃料利用率を低下させてもよい。または、制御器４０はＳＯＦＣスタック６での発電量を低下させるように制御し、燃料（改質ガス）の利用量を低下させてもよい。このように燃料利用率を低下させることでアノードオフガスに含まれるＨ２濃度を高めることができるため火炎Ｆの温度を高めることができる。これによって火炎Ｆの中心領域における水性ガスシフト反応を促進させることができ、排出されるＣＯ濃度を抑制することができる。
また、制御器４０は、酸化剤ガス供給器４４を制御して供給する発電空気（酸化剤ガス）の流量を低下させてもよい。このように発電空気（酸化剤ガス）の流量を低下させることでＳＯＦＣシステム１００全体の温度を上昇させることができる。このため、燃焼室２５における火炎Ｆの温度を高めることができるとともに、燃焼器２０から噴出されるアノードオフガスの温度（アノードオフガス温度）も高めることができる。これによって、火炎Ｆの中心領域における水性ガスシフト反応を促進させることができ、排出されるＣＯ濃度を抑制することができる。
また、制御器４０は、発電電力の制御を行う不図示のインバータを制御して、ＳＯＦＣスタック６から取り出す電力量を小さくさせることで、ＳＯＦＣスタック６での発電量を低下させてもよい。このように発電量を低下させることで、燃料利用率の低い、つまり発電に利用されるＨ２比率の低い運転条件にすることができ、その結果、アノードオフガスに含まれるＨ２濃度を高めることができる。このため、火炎Ｆの温度を高めることができる。これによって、火炎Ｆの中心領域における水性ガスシフト反応を促進させることができ、排出されるＣＯ濃度を抑制することができる。
［変形例３］
以下において、図１３を参照して燃焼における化学反応不良の抑制制御の変形例３について説明する。図１３は、本発明の実施の形態の変形例３に係るＳＯＦＣシステム１００における、燃焼における化学反応不良の抑制制御の一例を示すフローチャートである。
図１３に示す変形例３に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御は、ステップＳ４１～４３、ステップＳ４７が、図９に示す実施の形態に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御のステップＳ１１～１４と同様となる。このため、同様なステップについての説明は省略し、変形例３において新たに追加されたステップＳ４４～４６について説明する。
ステップＳ４３において、ＳＯＦＣシステム１００が燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を実施している際、制御器４０は、第１温度検知器１２によって検知されたアノードオフガス温度が所定時間継続して、第３所定温度Ｔ２未満となったか否か判定する（ステップＳ４４）。なお、第３所定温度Ｔ２は、第１所定温度Ｔ１よりも低い温度であり、燃焼が不安定となりＣＯ等の排出量が大きくなり始める際のアノードオフガス温度とすることができる。もしくは、上記した燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を実行してもＣＯ等の排出を抑制することができないときのアノードオフガス温度としてもよい。第３所定温度Ｔ２についての詳細は後述する。
ここで、制御器４０が、アノードオフガス温度が所定時間継続して、第３所定温度Ｔ２未満とならなかったと判定した場合（ステップＳ４４において「ＮＯ」）、ステップＳ４７に進んで制御器４０は、アノードオフガス温度が所定時間継続して、第１所定温度Ｔ１以上になったか否か判定する。制御器４０が、アノードオフガス温度が所定時間継続して、第１所定温度Ｔ１以上になったと判定した場合（ステップＳ４７において「ＹＥＳ」）、燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を停止して通常の発電動作に切り換え、ステップＳ４１に戻る。ステップＳ４７において「ＮＯ」の場合は、燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作を継続する。
一方、ステップＳ４４において、制御器４０が、アノードオフガス温度が所定時間継続して、第３所定温度Ｔ２未満となったと判定した場合（ステップＳ４４において「ＹＥＳ」）、ＳＯＦＣスタック６への燃料(改質ガス)および酸化剤ガス等の供給はそのまま継続させ、ＳＯＦＣスタック６において発電回路を開いて電力負荷をかけずにそのまま発電動作を継続させる、いわゆるＯＣＶ（open circuit voltage）運転（待機運転）に切り換える（ステップＳ４５）。
ＳＯＦＣシステム１００がＯＣＶ運転を実施している間、制御器４０は、所定時間継続してアノードオフガス温度がＴ２以上となったか否か判定する（ステップＳ４６）。所定時間継続してアノードオフガス温度がＴ２以上となったと制御器４０が判定した場合（ステップＳ４６において「ＹＥＳ」）、ステップＳ４３に戻り、制御器４０からの制御指示に基づき、ＳＯＦＣシステム１００はＯＣＶ運転から燃焼化学反応の不良を防止する発電制御動作に切り換える。
一方、所定時間継続してアノードオフガス温度がＴ２以上とならなかったと制御器４０が判定した場合（ステップＳ４６において「ＮＯ」）、ステップＳ４５に戻ってＯＣＶ運転を継続する。
以上のように、変形例３に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御では、アノードオフガス温度の低下が継続し、燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作ではＣＯ等の排出抑制を行うことができない状態となったとしてもＯＣＶ運転に切り換えることでＣＯ等の排出を抑制することができる。つまり、燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作ではＣＯ等の排出抑制を行うことができない程度までアノードオフガス温度が低下したとしても、火炎Ｆの中心領域の温度を上昇させ、水性ガスシフト反応を促進し、ＣＯ排出を抑制することができる。
なお、変形例３に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御では、ステップＳ４２に代えて、図１１に示す変形例１のステップＳ２１と同様に、制御器４０が、所定時間におけるアノードオフガス温度の低下がＴ１ａ以上であるか否か判定する構成であってもよい。あるいは、制御器４０が、ステップＳ４２の条件かつステップＳ２１の条件をともに満たすか否か判定する構成であってもよい。さらにまた、ステップＳ４７に代えて、図１１に示す変形例１のステップＳ２４と同様に、制御器４０が、所定時間におけるアノードオフガス温度の低下がＴ１ａ未満であるか否か判定する構成であってもよい。あるいは、制御器４０が、ステップＳ４７の条件かつステップＳ２４の条件をともに満たすか否か判定する構成であってもよい。
また、変形例３に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御では、ステップＳ４３に実施する燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作として、変形例２に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御のステップＳ３４と同様に、制御器４０がＳＯＦＣスタック６における燃料利用率、発電空気（酸化剤ガス）の流量、およびＳＯＦＣスタック６で発電する発電量のうち少なくとも一つを低下させるように制御する構成であってもよい。
［変形例４］
以下において、図１４を参照して、燃焼における化学反応不良の抑制制御の変形例４について説明する。図１４は、本発明の実施の形態の変形例４に係るＳＯＦＣシステム１００における、燃焼における化学反応不良の抑制制御の一例を示すフローチャートである。
図１４に示す変形例４に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御は、ステップＳ５１～５６、ステップＳ５９が、図１３に示す変形例３に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御のステップＳ４１～４７と同様となる。このため、同様なステップについての説明は省略し、変形例４において新たに追加されたステップＳ５７、５８について説明する。
ＳＯＦＣシステム１００がＯＣＶ運転を実施している際に、制御器４０が所定時間継続してアノードオフガス温度が第３所定温度Ｔ２以上とならなかったと判定した場合（ステップＳ５６において「ＮＯ」）、制御器４０は、さらに所定時間継続してアノードオフガス温度が第４所定温度Ｔ３未満となったか否か判定する（ステップＳ５７）。
ここで制御器４０が、アノードオフガス温度が第４所定温度Ｔ３未満とならなかったと判定した場合（ステップＳ５７において「ＮＯ」）、ステップＳ５５に戻ってＯＣＶ運転を継続する。一方、アノードオフガス温度が第４所定温度Ｔ３未満となったと判定した場合（ステップＳ５７において「ＹＥＳ」）、制御器４０からの制御指示に基づき、ＳＯＦＣシステム１００は運転を停止させる（ステップＳ５８）。例えば、制御器４０は、ＯＣＶ運転において動作している原燃料供給器４１、空気供給器４２、水供給器４３、および酸化剤ガス供給器４４等の補機を停止させ、ＳＯＦＣシステム１００の運転を停止させる。
以上のように、変形例４に係る燃焼における化学反応不良の抑制制御では、ＯＣＶ運転を実施しているにもかかわらず、アノードオフガス温度が第４所定温度Ｔ３未満まで低下した場合、ＯＣＶ運転を実施してもＣＯ等の排出抑制を行うことができない状態となったと判定してＳＯＦＣシステム１００の運転を停止させることができる。
（第１所定温度Ｔ１、第３所定温度Ｔ２、第４所定温度Ｔ３）
上記した第１所定温度Ｔ１と第３所定温度Ｔ２と第４所定温度Ｔ３について説明する。
ＳＯＦＣスタック６の各セルは固体酸化物電解質の両面に燃料極（アノード）及び空気極（カソード）を積層し構成されており、燃料極には改質器２から改質ガス供給経路１３を通じて改質ガスが供給され、空気極には酸化剤ガス供給経路５を通じて酸化剤ガスが供給される。そして、ＳＯＦＣスタック６がプロトン伝導型ＳＯＦＣの場合、各セルでは空気極において、下記の化学反応式（６）で示す電極反応が生起され、燃料極において、下記の化学反応式（７）で示す電極反応が生起されて、発電がなされる。
空気極：４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ-→２Ｈ２Ｏ ・・・（６）
燃料極：２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ- ・・・（７）
化学反応式（６）、（７）からわかるように、プロトン伝導型ＳＯＦＣの場合、燃料極側から空気極側へＨ２が移動し、空気極側に水分が生成され、結果的に燃料（アノードオフガス）中の含有水分が少なくなる。
ここで、図３に示すように、プロトン伝導型ＳＯＦＣの場合、５００℃以下になると火炎Ｆにおける水性ガスシフト反応が抑制されＣＯ濃度が上昇する。そこで、第３所定温度Ｔ２を５００℃とし、これに対して第１所定温度Ｔ１を第３所定温度Ｔ２よりも５０℃高い５５０℃に設定することが好適である。ＳＯＦＣスタック６がプロトン伝導型ＳＯＦＣである場合、第１所定温度Ｔ１を５５０℃とし、第３所定温度Ｔ２を５００℃に設定したとき、燃焼における化学反応不良の抑制制御の有効性を高めることができる。
なお、第１所定温度Ｔ１を第３所定温度Ｔ２よりも５０℃高い温度とする理由は、ＳＯＦＣシステム１００において、正常な発電動作中であっても外乱の影響または設定値の変更等により運転温度に変化が生じる場合がある。そこで、正常な発電動作中に生じる運転温度の変化に連動して変化するアノードオフガス温度の変化幅を考慮し、ＣＯ濃度が上昇する第３所定温度Ｔ２よりも５０℃高い温度を第１所定温度Ｔ１と設定している。なお、第１所定温度Ｔ１は必ずしも第３所定温度Ｔ２よりも５０℃高い温度に限定されるものではなく、ＳＯＦＣシステム１００において正常な発電動作時に生じるアノードオフガス温度の変化幅に応じて適宜設定さることが好ましい。
一方、ＳＯＦＣスタック６が酸化物イオン伝導型ＳＯＦＣの場合、各セルでは空気極において、下記の化学反応式（８）で示す電極反応が生起され、燃料極において、下記の化学反応式（９）で示す電極反応が生起されて、発電がなされる。
空気極：１／２Ｏ２＋２ｅ-→Ｏ２- ・・・（８）
燃料極：Ｏ２-＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ- ・・・（９）
化学反応式（８）、（９）からわかるように、酸化物イオン伝導型ＳＯＦＣの場合、空気極側から燃料極側へ酸化物イオンが移動するため、燃料極側に水分が生成され、結果的に燃料中の含有水分が増加する。
ここで、図３に示すように、酸化物イオン伝導型ＳＯＦＣの場合、４００℃以下になると火炎Ｆにおける水性ガスシフト反応が抑制されＣＯ濃度が上昇する。そこで、第３所定温度Ｔ２を４００℃とし、これに対して第１所定温度Ｔ１を５０℃高い４５０℃に設定することが好適である。ＳＯＦＣスタック６が酸化物イオン伝導型ＳＯＦＣである場合、第１所定温度Ｔ１を４５０℃とし、第３所定温度Ｔ２を４００℃に設定したとき、燃焼における化学反応不良の抑制制御の有効性を高めることができる。
また、図１０に示すように、常温近くの低温領域では燃焼における化学反応不良の抑制制御を実施してもＣＯ濃度が上昇しており、この化学反応不良の抑制制御が有効なのは２００℃までであった。そこで、変形例４においてＳＯＦＣシステム１００の運転を停止させるか否かを判定するための第４所定温度Ｔ３を２００℃に設定する。このように設定することで、化学反応不良の抑制制御が有効とならない低温領域では、ＳＯＦＣシステム１００の運転を停止させることでＣＯ等の排出を抑制することができる。
また、ＳＯＦＣシステム１００では、化学反応不良の抑制制御が２００℃まで有効である。ここで、ＳＯＦＣシステム１００の運転を停止させる停止シーケンスによっては、アノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼させながら停止させるシーケンスも考えられる。このような停止シーケンスではアノードオフガス温度が３００℃前後まで低下する場合があるが、このような場合であってもＣＯの排出濃度を抑制させることができる。
上記した第１所定温度Ｔ１～第４所定温度Ｔ３とＳＯＦＣシステム１００の運転動作との関係を図示すると図１５に示す関係となる。図１５は、本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００の運転動作と第１所定温度Ｔ１～第４所定温度Ｔ３との関係を表す図である。図１５において横軸がアノードオフガス温度を示す。
図１５に示すように、アノードオフガス温度が４００＋５０℃または５００+５０℃以上である場合、ＳＯＦＣシステム１００は正常運転が行われる。アノードオフガス温度（燃料入口温度）が低温化し、第１所定温度Ｔ１である４００＋５０℃または５００＋５０℃よりも低下すると、ＳＯＦＣシステム１００では燃焼化学反応不良を防止する発電制御動作が実施される。この発電制御動作を実施したにもかかわらず、アノードオフガス温度（燃料入口温度）の温度低下が抑制されず第３所定温度Ｔ２である４００℃または５００℃よりも低下すると、ＳＯＦＣシステム１００の運転動作をＯＣＶ運転に切り換える。ＯＣＶ運転に切り替えたにもかかわらず、アノードオフガス温度（燃料入口温度）の温度低下が抑制されず第４所定温度Ｔ３である２００℃よりも低下すると、ＳＯＦＣシステム１００の運転を停止させる。
なお、上記した実施の形態、および変形例１～４に係るＳＯＦＣシステム１００では、アノードオフガス排出経路１１に設けられた第１温度検知部によって検知されたアノードオフガス温度に基づき、化学反応不良の抑制制御を行う構成であったがこの構成に限定されるものではない。例えば、制御器４０が不図示のメモリにＳＯＦＣスタック６のスタック温度とアノードオフガス温度との対応関係を示すテーブルを予め保持しておき、第２温度検知器１５によって検知されたスタック温度に基づきテーブルを参照して制御器４０がアノードオフガス温度を求める構成としてもよい。そして、この求めたアノードオフガス温度に基づき化学反応不良の抑制制御を行う構成としてもよい。
このようにＳＯＦＣシステム１００を構成した場合、ＳＯＦＣスタック６のスタック温度とアノードオフガス温度とを第２温度検知器１５だけで検知することができる。このため、ＳＯＦＣシステム１００に備える検知器の種類および個数を低減させることができる。
本発明にかかるＳＯＦＣシステムは、アノードオフガスに着火しカソードオフガスと燃焼させる拡散燃焼器を備えたＳＯＦＣシステムにおいて有用である。
２ 改質器
４ 蒸発器
５ 酸化剤ガス供給経路
６ ＳＯＦＣスタック（燃料電池スタック）
７ 酸化剤ガス熱交換器
１１ アノードオフガス排出経路
１２ 第１温度検知器（温度検知器）
１３ 改質ガス供給経路
１４ 混合ガス供給経路
１５ 第２温度検知器（温度検知器）
２０ 燃焼器
２１ アノードオフガス噴出孔
２５ 燃焼室
４０ 制御器
４１ 原燃料供給器
４２ 空気供給器
４３ 水供給器
４４ 酸化剤ガス供給器
６１ 噴出孔
６２ 円孔
６３ ヒーター
７０ 火炎
７０ａ 基端
７０ｂ 先端部
７１ 火炎面領域
７２ 中心領域
７５ 噴出孔
１００ ＳＯＦＣシステム
Ｆ 火炎
Ｔ１ 第１所定温度
Ｔ１ａ 第２所定温度
Ｔ２ 第３所定温度
Ｔ３ 第４所定温度

Claims (11)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスとカソードオフガスとを拡散燃焼させる燃焼器と、
    前記燃焼器に流入する前記アノードオフガスの温度を検知する温度検知器と、
    制御器と、を備え、
    前記制御器は、発電運転中に前記温度検知器によって検知された前記アノードオフガス温度が、所定時間継続して第１所定温度未満となった場合、および所定時間の間に第２所定温度以上低下した場合のうち、少なくともいずれか１つの場合となったと判定したとき、前記拡散燃焼における化学反応不良を防止する発電制御動作を行うように制御する固体酸化物形燃料電池システム。
  2. 前記制御器は、前記発電制御動作として、前記燃料電池スタックにおける燃料利用率、前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス流量、および前記燃料電池スタックによる発電量のうち少なくとも一つを低下させるように制御する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  3. 前記制御器は、前記発電制御動作として、前記燃料電池スタックにおける燃料利用率および前記燃料電池スタックによる発電量のうち少なくとも一つを低下させるように制御する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  4. 前記制御器は、前記発電制御動作中に、前記アノードオフガス温度が、所定時間継続して、前記第１所定温度よりも低い設定温度である第３所定温度未満となったと判定した場合、前記発電制御動作を停止させて、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの供給を継続させたまま前記燃料電池スタックにおける発電を停止させるＯＣＶ運転に切り換えるように制御する請求項１～３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池スタックは、プロトン伝導体電解質を含む、複数の固体電解質型セルを備えている請求項１～４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  6. 前記第３所定温度は４００℃である、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  7. 前記第３所定温度は５００℃である、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  8. 前記制御器は、前記ＯＣＶ運転中に、前記アノードオフガス温度が、所定時間継続して、前記第３所定温度よりも低い設定温度である第４所定温度未満となったと判定した場合、当該固体酸化形燃料電池システムの運転を停止させるように制御する請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  9. 前記第４所定温度は、２００℃である、請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  10. 前記温度検知器は、前記燃料電池スタックの周囲に配置され、前記燃焼器に流入する前記アノードオフガスの温度を直接的に示す情報または間接的に示す情報を検知する、請求項１～９のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
  11. 前記発電運転は、起動制御運転後であって、前記燃料電池スタックの温度が発電により外部負荷に対して安定的に電力を供給可能とする温度に達する前までの期間に行われる、定格出力となる電力よりも小さい電力を取り出すことにより燃料電池スタックに発電熱を発生させて該燃料電池スタックを昇温させる起動発電制御運転である、請求項１～１０のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
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