JP5769125B2 - 固体電解質形燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体電解質形燃料電池装置に関する。

固体電解質型燃料電池（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、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。

この燃料電池装置（ＳＯＦＣ）は、具体的には、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体を有し、外部から原料ガスである被改質ガス（都市ガス等）が供給され、その都市ガス等を改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に、燃料電池セル集合体へと供給している。

燃料電池装置においては、燃料ガスのうち発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスとして外部に排出し、一方、燃料ガスと酸化剤ガスの何れか一方を外部ガスとして、燃料電池セル集合体の外部に供給するようになっている。

固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）は、起動工程において、燃料ガスを改質器において改質する複数の工程、すなわち、部分酸化改質反応工程（ＰＯＸ工程）、オートサーマル改質反応工程（ＡＴＲ工程）、水蒸気改質反応工程（ＳＲ工程）を経て、発電工程へ移行するように構成されている（例えば、下記特許文献１参照）。ＳＯＦＣでは、これらの工程を順に実行することにより、燃料電池モジュール収納室内に配置された改質器や燃料電池セルスタック等を動作温度まで昇温させることができる。

ところで、ＳＯＦＣの発電工程における動作温度は６００〜８００℃と高温なものとなっていることに加え、起動工程において前述したような複数の工程を遷移させながら発電工程へと導くためには、内部温度を的確に把握して運転条件を切り替える必要がある。そのため、燃料電池セル集合体が収められている容器内に複数の温度センサーを配置し、内部温度を把握するものとしている。

このような温度センサーは、燃料電池セル集合体等の固体電解質形燃料電池装置を構成する他の部分に比較して耐久性が低いものであり、特に高温化の使用条件ではその傾向が顕著なものになる。そこで、温度センサーを交換する必要性が生じてくるが、温度センサーを交換する場合にも高温環境下であることを考慮する必要がある。下記特許文献２に記載の温度センサーでは、高温環境化の炉内に保護管を差し込んでおき、その保護管内に温度センサーを挿入可能なものとし、高温環境下における温度センサーの交換について一つの提案をしている。

特開２００４−３１９４２０号公報 特開平８−２１０９２３号公報

上記特許文献２に記載の技術は、温度センサーの交換についてのみ提案するものであるから、固体電解質形燃料電池装置に用いている温度センサーに異常が発生した場合には、固体電解質形燃料電池装置の運転を停止して温度センサーを交換する必要がある。

しかしながら、そもそも耐久性の低い温度センサーに異常が発生した場合に、温度センサーの交換のみを目的として固体電解質形燃料電池装置の運転を停止することは、使用者に過度の負担を強いるものであり、固体電解質形燃料電池装置の実使用上回避すべきものである。

ところで、温度センサーによって内部温度を的確に把握し、部分酸化改質反応工程（ＰＯＸ工程）、オートサーマル改質反応工程（ＡＴＲ工程）、水蒸気改質反応工程（ＳＲ工程）といった複数の工程を遷移させながら発電工程へと導くのは、起動工程においてのみ必要なものである。従って、起動工程を乗り切ってしまえば、安定した反応状態である発電工程においては起動工程ほどの温度測定精度は必要ないものである。このような起動工程と発電工程とにおける温度測定精度の重要性の差に着目すれば、温度センサーに異常が発生した場合であっても固体電解質形燃料電池装置の運転をむやみに停止することなく、安全性を確保しながら運転を継続できる可能性があることを本発明者らは見出したものである。

本発明はこのような課題及び知見に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度センサーに異常が発生した場合であっても、安全性を確保した範囲内で極力運転を継続することが可能な固体電解質形燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る固体電解質形燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体電解質形燃料電池装置であって、炭化水素を含む原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器と、電気的に接続され互いに沿うように立設された複数の単セルを有し、これら複数の単セルの一端側から他端側に燃料ガスと酸化剤ガスとが流れることで発電するセル集合体と、前記改質器及び前記セル集合体を収容する容器と、前記複数の単セルを通過した燃料ガスを燃焼させることで、前記改質器及び前記複数の単セルを昇温させる燃焼部と、前記複数の単セルに含まれる特定の単セルの他端側において、当該特定の単セルを通過した燃料ガスに点火することで、燃焼部における燃料ガスの燃焼を開始させる点火装置と、前記特定の単セルにおける燃料ガスの点火を、前記特定の単セルの他端側の温度上昇を検出することによって検知する第一温度センサーと、前記容器内の温度を検出する第二温度センサーと、前記第一温度センサー及び前記第二温度センサーから出力される信号に基づいて、前記点火装置を制御すると共に前記固体電解質形燃料電池装置における運転状態の制御を行う制御手段と、を備える。前記制御手段は、前記第一温度センサーの温度検出に異常が発生したか否かを判定し、当該判定の結果、前記第一温度センサーに異常が発生していると判断した場合に、前記第二温度センサーによる温度検出によって前記特定の単セルにおける燃料ガスの点火を検知する代替検知制御モードを実行する。

本発明に係る固体電解質形燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体電解質形燃料電池装置であるから、その内部に配置される第一温度センサー及び第二温度センサーは、高温の過酷な使用環境に晒される。一方で、固体電解質形燃料電池装置は、発電装置であるから温度センサーの一部に異常が発生しても、極力運転を継続することが求められる。そこで、特定の単セルにおける燃料ガスの点火を、前記特定の単セルの他端側の温度上昇を検出することによって検知する第一温度センサーに異常が発生した場合に、制御手段が第二温度センサーによる温度検出によって特定の単セルにおける燃料ガスの点火を検知する代替検知制御モードを実行するものとしている。このように、第一温度センサーに異常が発生した場合であっても、正常な第二温度センサーを利用して代替検知制御モードを実行することにより、温度センサーの一部に異常が発生しても、即座に運転停止することなく、使用者に使用不可という負担を負わせることがない。

本発明に係る固体電解質形燃料電池装置では、前記第二温度センサーは、前記改質器の温度を検出するものであって、前記制御手段は、前記代替検知制御モードにおいて、前記点火装置による点火性能を高めるように、前記点火装置の点火頻度及び点火力の少なくとも一方を変更する制御を行うことも好ましい。

この好ましい態様では、第二温度センサーが改質器の温度を検出するものであるので、単セルにおける燃料ガスの点火を直接的に検知することは困難であるところ、代替検知制御モードにおいて、点火装置による点火性能を高めるように制御しているので、点火不良状態のまま運転を継続することを回避することができる。

本発明に係る固体電解質形燃料電池装置では、前記制御手段は、前記点火装置による点火動作の後、所定期間内に所定温度上昇した場合に前記特定の単セルにおいて燃料ガスに点火したものと検知するものであって、前記代替検知制御モードにおいては、前記所定期間を延長すると共に、前記点火装置の点火頻度を高めることも好ましい。

上述したように、第一温度センサーによる点火検知から第二温度センサーによる点火検知に切り替えているので、点火装置による点火性能を高めたとしても、確実に点火したか否かを判断することは困難なものとなる。そこでこの好ましい態様では、所定期間内に所定温度上昇した場合に特定の単セルにおいて燃料ガスに点火したものと検知するところ、その所定期間を延長することで、特定の単セルにおける点火検知の判断基準を緩和している。このように特定の単セルにおける点火検知の判断基準を緩和することに加え、点火装置の点火頻度を高めることで、特定の単セルにおける点火の誤判断及びその誤判断に起因する誤制御を回避するものとしている。

本発明に係る固体電解質形燃料電池装置では、前記制御手段は、前記代替検知制御モードにおいて、前記点火装置による点火動作の繰り返し回数を高めることも好ましい。

この好ましい態様では、点火装置による点火動作の繰り返し回数を高めることで、特定の単セルにおける点火不良を確実に回避すると共に、特定の単セルにおいて点火しているにもかかわらず異常処理させてしまうことを回避することができる。

本発明に係る固体電解質形燃料電池装置では、前記第二温度センサーは、前記改質器の温度を検出するものであって、前記制御手段は、前記特定の単セルにおける燃料ガスの点火を促進する点火促進制御を行うものであり、前記制御手段は、前記代替検知制御モードにおいて、前記点火促進制御の実行期間を延長することも好ましい。

本発明に係る固体電解質形燃料電池装置の起動工程では、部分酸化改質反応工程（ＰＯＸ工程）、オートサーマル改質反応工程（ＡＴＲ工程）、水蒸気改質反応工程（ＳＲ工程）と工程が進行するにつれて内部温度が上昇するものであり、所定の温度を超えれば複数の単セル全てにおいて燃料ガスが自然着火する。この自然着火に至る温度帯域においては、特に内部の温度を的確に把握する必要がある。そこで、起動工程の初期工程である部分酸化改質反応工程（ＰＯＸ工程）では、単セルにおいて燃料ガスが着火していないとそもそもＰＯＸ反応が進行していないことを利用し、改質器の温度を検出する第二温度センサーによって改質器の温度がＰＯＸ反応による温度まで上昇していることを検出することで、単セルにおける燃料ガスの着火を検知するものとしている。更に、このような点火・失火の判断が困難である期間において、点火促進制御の実行期間を延長することで、確実に特定の単セルにおける燃料ガスの点火を促進し、失火のリスクを低減するものとしている。

本発明に係る固体電解質形燃料電池装置では、前記制御手段は、前記代替検知制御モードでの前記点火促進制御において、前記複数の単セルの一端側から他端側に燃料ガスと共に流す酸化剤ガスの流量の抑制期間を延長し、前記特定の単セルから他の単セルへの火移り性を抑制することで前記複数の単セルにおける失火を防止することも好ましい。

特定の単セルにおける燃料ガスの点火を直接的に検知する第一温度センサーに異常が発生した場合においては、単セルにおける突発的な失火を検知することは困難である。そこでこの好ましい態様では、複数の単セルに供給する酸化剤ガスの供給量を抑制することで、特定の単セルから他の単セルへの火移りを抑制することと引き換えに、複数の単セルにおける失火を防止するものとしている。

本発明に係る固体電解質形燃料電池装置では、前記制御手段は、前記代替検知制御モードでの前記点火促進制御において、前記改質器に供給する空気の流量を増加させ、前記改質器において部分酸化改質反応の進行を促進させることも好ましい。

この好ましい態様では、点火促進制御において改質器に供給する空気の流量を増加させ、改質器において部分酸化改質反応の進行を促進させることで、単セルにおける燃料ガスの点火に応じた改質器の温度上昇を促進させ、点火判定を確実に行えるものとしている。

本発明によれば、温度センサーに異常が発生した場合であっても、安全性を確保した範囲内で極力運転を継続することが可能な固体電解質形燃料電池装置を提供することができる。

本発明の一実施形態による燃料電池装置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装置のハウジングが外された状態の燃料電池モジュール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装置の燃料電池モジュールを図２のＡ方向から見た断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図２のＢ方向から見た断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。 図２に示す燃料電池モジュールから燃料電池セル集合体を覆うケーシングを取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。 図６に示す燃料電池モジュールにおける蒸発混合器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装置の燃料電池モジュールの熱交換器を上方から見た概略平面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池装置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装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。 本実施形態における制御パターンを説明するためのフローチャートである。 本実施形態における制御パターンを説明するためのフローチャートである。 本実施形態における制御パターンを説明するためのフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本発明の一実施形態による燃料電池装置である固体電解質形燃料電池装置を説明する。図１は、本発明の一実施形態による固体電解質形燃料電池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電解質形燃料電池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を備えている。このハウジング６内部には、断熱材（図示せず）に囲まれて密封空間８が形成されている。この密封空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（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を備えている（図６参照）。この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（単セル、図５参照）から構成されている。燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成されている。この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガス（空気）とが燃焼し、燃焼ガス（排気ガス）を生成するようになっている。

この燃焼室１８の上方には、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器２０が配置されている。上述した燃焼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、燃焼ガスの熱により外部から導入される酸化剤ガス（発電用空気）を加熱する熱交換器２２が配置されている。

補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの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から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、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）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（モータで駆動される「空気ブロア」等）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ヒーター４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒーター４８とを備えている。これらの第１ヒーター４６と第２ヒーター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。

燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置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。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。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）であるインバーター５４が接続されている。

続いて、図２‐図４、図６、図７により、本発明の実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池モジュール２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燃料電池装置のハウジング６が取り外された状態の燃料電池モジュール２を示す斜視図である。図２においては、燃料電池モジュール２を構成する各燃料電池セルスタック１４において、燃料電池セルユニット１６が８本並ぶ方向をｘ軸方向としている。また、燃料電池セルユニット１６が立設されて延びる方向をｙ軸方向とし、ｘ軸及びｙ軸に直交する方向をｚ軸方向としている。図３以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図２におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。

図３は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール２を図２のＡ方向から見た断面図である。図４は、本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュール２を図２のＢ方向から見た断面図である。図６は、図２に示す燃料電池モジュールから燃料電池セル集合体を覆うケーシングを取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。図７は、図６に示す燃料電池モジュールにおける蒸発混合器を示す斜視図である。

図２‐図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により、全体が覆われている。図６に示すように、燃料電池セル集合体１２は、Ｂ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、上面１２ａ、下面１２ｂ、図２のＡ方向に沿って延びる長辺側面１２ｃと、図２のＢ方向に沿って延びる短辺側面１２ｄを備えている。

図３に示すように、燃料電池モジュール２内の密封空間８内の最下方部分には、蒸発混合器５８が燃料電池セル集合体１２の長辺側面１２ｃに沿って設けられている。この蒸発混合器５８は、燃焼ガスにより加熱して、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と酸化剤ガスである空気とを混合するためのものである。この蒸発混合器５８の一端側には、図２、図４、図７に示すように、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２が接続されている。被改質ガス供給管６０は、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４から、被改質ガス（原料ガス）及び改質用空気を導入するようになっている。

図４に示すように、蒸発混合器５８の他端側には、燃料供給管６４の下端が接続されている。この燃料供給管６４の上端は、改質器２０の上流端に接続されている。この燃料供給管６４により、燃料ガスが蒸発混合器５８から改質器２０へ供給されるようになっている。また、改質器２０の下流端には、燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に進入して、水平方向に延びている。

図３及び図４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路８８（図５参照）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。

続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２へ供給するための構造を説明する。図２‐４に示すように、改質器２０の上方に、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２の上面１２ａ及び短辺側面１２ｄ（図２及び図４の右側短辺側面）に沿って、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２が設けられている。

なお、本実施形態においては、熱交換器２２は、燃料電池セル集合体１２の上面１２ａ及び右側の短辺側面１２ｄに沿って設けるようにしているが、これに限らず、熱交換器２２を、右側の短辺側面１２ｄのみに沿って設けても良いし、右側及び左側の両方の短辺側面１２ｄのみに沿って設けても良いし、さらに、上面１２ａ及び両側の短辺側面１２ｄに沿って設けるようにしても良い。

熱交換器２２の短辺側面１２ｄに沿って設けられた部分の下端の一端側には、図２に示すように、発電用空気導入管７４の導入口７４ａが取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット４５から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。

図４及び図８に示すように、熱交換器２２の上側の他端側には、発電用空気流路７２の出口ポート７２ａが形成されている。さらに、図３に示すように、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７６が形成されている。発電用空気流路７２の出口ポート７２ａから、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７６は、燃料電池セル集合体１２の長手方向（長辺側面１２ｃ方向）に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８が、長手方向に沿って、等間隔に、形成されている。これらの吹出口７８から吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。

続いて、燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）が燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。上述したように、熱交換器２２内には、燃焼室１８で燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられている。図４に示すように、これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃料電池セル集合体１２の下方に位置し長手方向に延びる燃焼ガス排出室８０が形成され、燃焼ガス配管７０の下端側と燃焼ガス排出室８０が接続されている。なお、この燃焼ガス排出室８０内に、上述した蒸発混合器５８が配置され、この蒸発混合器５８内の燃料ガスが、高温の燃焼ガスにより、長手方向に沿って、加熱されるようになっている。さらに、燃焼ガス排出室８０の下面には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。

続いて、図５を参照しながら、燃料電池セルユニット１６について説明する。図５は、本発明の一実施形態によるＳＯＦＣの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。図５に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子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、内側（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。

燃料電池セルユニット１６の上端側と下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、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９８が形成されている。

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。

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。

続いて、図９を参照しながら、本実施形態による固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサー類等について説明する。図９は、本発明の一実施形態による固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。

図９に示すように、固体電解質形燃料電池１は、制御部１１０を備えている。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。

制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサーからの信号が入力されるようになっている。可燃ガス検出センサー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検出センサー１２２は、本来燃焼ガス排出室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ー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ー１２６は、インバーター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。電力状態検出センサー１２６は、開回路電圧も検出できるように構成されている。発電用空気流量検出センサー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ー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。燃料流量センサー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。

水流量センサー１３４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）の流量を検出するためのものである。水位センサー１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。圧力センサー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。排気温度センサー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。

発電室温度センサー１４２は、図３及び図４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。

燃焼室温度センサー１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。燃焼室温度センサー１４４は、図３及び図４に示すように、燃料電池セル集合体１２と点火装置８３との間に設けられている。燃焼室温度センサー１４４は、燃料電池セル８４に点火されたか否かを判断するための点火確認用の温度センサー（第一温度センサー）としても機能している。排気ガス室温度センサー１４６は、燃焼ガス排出室８０の排気ガスの温度を検出するためのものである。

改質器温度センサー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。改質器温度センサー１４８は、図３及び図４に示すように、改質器２０の入口側と出口側とのそれぞれの近傍に設けられている。外気温度センサー１５０は、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）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ーを設けるようにしても良い。

これらのセンサー類からの信号は、制御部１１０に送られる。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、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。また、制御部１１０は、インバーター５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。

続いて、図１０を参照しながら、本実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）による起動時の動作を説明する。図１０は、本発明の一実施形態による固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。

最初は、燃料電池モジュール２を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール２を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール２は発電を行わない。

先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を、第１ヒーター４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を、第２ヒーター４８を経由して燃料電池モジュール２の熱交換器２２へ供給する。この発電用空気は、熱交換器２２を経由して、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。

この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８から燃料ガスが供給される。この燃料ガスに改質用空気が混合され、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。

次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、熱交換器２２内の発電用空気も暖める。

このとき、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器２０に供給されているので、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。
Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂ → ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１）

この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。この発熱反応によって昇温された燃料ガスは、燃料供給管６４により燃料電池セルスタック１４の下方に供給される。これにより、燃料電池セルスタック１４が下方から加熱される。燃焼室１８も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック１４は、上方からも加熱される。この結果、燃料電池セルスタック１４は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても、燃焼室１８では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。

部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサー１４８により検出された改質器２０の温度、及び発電室温度センサー１４２により検出された燃料電池セルスタック１４の温度に基づいて、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスの改質器２０への供給が開始される。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。

このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。

式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサー１４８により検出された改質器２０の温度、及び発電室温度センサー１４２により検出された燃料電池セルスタック１４の温度に基づいて、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給が停止されると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。
Ｃ_mＨ_n＋ｘＯ₂＋ｙＨ₂Ｏ → ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （２）

これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （３）

この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール２の起動の最終段階であるため、発電室１０内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室１０が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応ＳＲが進行しても、燃焼室１８では継続して燃焼反応が進行する。

このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。図１０に示すように、起動工程においては、発電室１０内の温度上昇と、燃料電池セルスタック１４の開回路電圧ＯＣＶとが相関関係にある。以上の起動処理が終了した後、燃料電池モジュール２からインバーター５４に電力が取り出される。即ち、発電が開始される。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。

発電開始後においても、改質器２０の温度を維持するために、燃料電池セル８４で発電に消費される燃料ガス及び発電用空気の量よりも多い燃料ガス及び発電用空気を供給し、燃焼室１８での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。

図１０に示す起動工程においては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）工程、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）工程、及び水蒸気改質反応（ＳＲ）工程を、それぞれ単一の工程として説明したけれども、それぞれを細分化した工程とすることも好ましい。ＰＯＸ工程を、ＰＯＸ１工程及びＰＯＸ２工程に細分化し、ＡＴＲ工程を、ＡＴＲ１工程及びＡＴＲ２工程に細分化し、ＳＲ工程を、ＳＲ１工程及びＳＲ２工程に細分化した例を説明する。

まず、制御部１１０は、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に信号を送って、これらを起動させ、改質用空気（酸化剤ガス）及び発電用空気を燃料電池モジュール２に供給する。なお、供給が開始される改質用空気の供給量は１０．０（L/min）、発電用空気の供給量は１００．０（Ｌ／ｍｉｎ）に設定される。

次いで、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、改質器２０への燃料ガス供給を開始する。これにより、改質器２０へ送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、改質器２０、燃料供給管６４、マニホールド６６を介して各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれる。各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット１６の燃料ガス流路９８上端から流出する。なお、供給が開始される燃料ガスの供給量は６．０（Ｌ／ｍｉｎ）に設定されている。

さらに、制御部１１０は、点火装置８３に信号を送り、燃料電池セルユニット１６から流出する燃料ガスに点火する。これにより、燃焼室１８内で燃料ガスが燃焼され、これによって生成した排気ガスにより、その上方に配置された改質器２０が加熱されると共に、燃焼室１８、発電室１０、及びその中に配置された燃料電池セルスタック１４の温度（以下「セルスタック温度」という）も上昇する。燃料ガス流路９８を含む燃料電池セルユニット１６及びその上端部位は燃焼部に相当する。

改質器２０が加熱されることにより、改質器２０の温度（以下「改質器温度」という）が３００℃程度まで上昇すると、改質器２０内においては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が発生する（ＰＯＸ１工程開始）。部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質器２０は、部分酸化改質反応の発生により、その反応熱によっても加熱されるようになる。

さらに温度が上昇し、改質器温度が３５０℃に達すると（ＰＯＸ２移行条件）、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を増加させる（ＰＯＸ２工程開始）。これにより、燃料ガス供給量は５．０（Ｌ／ｍｉｎ）に変更され、改質用空気供給量は１８．０（Ｌ／ｍｉｎ）に変更される。これらの供給量は、部分酸化改質反応を発生させるために適切な供給量である。即ち、部分酸化改質反応が発生し始める初期の温度領域においては、供給する燃料ガスの割合を多くすることにより、燃料ガスに確実に着火させる状態を形成すると共に、その供給量を維持して着火を安定させる（図９の「ＰＯＸ１」工程参照）。さらに、安定して着火され、温度が上昇した後には、部分酸化改質反応を生成するために必要にして十分な燃料ガス供給量として、燃料の浪費を抑えている。

次に、改質器温度が６００℃以上、且つ、セルスタック温度が２５０℃以上になると（ＡＴＲ１移行条件）、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給を開始させる（ＡＴＲ１工程開始）。これにより、改質用空気供給量は８．０（Ｌ／ｍｉｎ）に変更され、水供給量は２．０（ｃｃ／ｍｉｎ）にされる。改質器２０内に水（水蒸気）が導入されることにより、改質器２０内で水蒸気改質反応も発生するようになる。即ち、ＡＴＲ１工程においては、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在したオートサーマル改質（ＡＴＲ）が発生するようになる。

セルスタック温度は、発電室１０内に配置された発電室温度センサー１４２によって測定されている。発電室内の温度とセルスタック温度は、厳密には同一ではないが、発電室温度センサーによって検出される温度はセルスタック温度を反映したものであり、発電室内に配置された発電室温度センサーによりセルスタック温度を把握することができる。なお、本明細書において、セルスタック温度とは、セルスタック温度を反映した値を指示する任意のセンサーにより測定された温度を意味するものとする。

さらに、改質器温度が６００℃以上、且つ、セルスタック温度が４００℃以上になると（ＡＴＲ２移行条件）、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させる。また、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量を増加させる（ＡＴＲ２工程開始）。これにより、燃料ガス供給量は４．０（Ｌ／ｍｉｎ）に変更され、改質用空気供給量は４．０（Ｌ／ｍｉｎ）に変更され、水供給量は３．０（ｃｃ／ｍｉｎ）に変更される。改質用空気供給量が減少され、水供給量が増加されることにより、改質器２０内においては、発熱反応である部分酸化改質反応の割合が減少し、吸熱反応である水蒸気改質反応の割合が増加する。これにより、改質器温度の上昇が抑制され、一方、改質器２０から受けるガス流により燃料電池セルスタック１４が昇温されることによって、セルスタック温度は改質器温度に追い付くように昇温していくので、両者の温度差が縮小され、両者は安定的に昇温されていく。

次に、改質器温度とセルスタック温度の温度差が縮まり、改質器温度が６５０℃以上、且つ、スタック温度が６００℃以上になると（ＳＲ１移行条件）、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気の供給を停止する。また、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量を増加させる（ＳＲ１工程開始）。これにより、燃料ガス供給量は３．０（Ｌ／ｍｉｎ）に変更され、水供給量は８．０（ｃｃ／ｍｉｎ）に変更される。改質用空気の供給が停止されることにより、改質器２０内において部分酸化改質反応は発生しなくなり、水蒸気改質反応のみが発生するＳＲが開始される。

改質器温度とセルスタック温度の温度差がさらに縮まり、改質器温度が６５０℃以上、且つ、スタック温度が６５０℃以上になると（ＳＲ２移行条件）、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量も減少させる。また、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送り、発電量空気の供給量も減少させる（ＳＲ２工程開始）。これにより、燃料ガス供給量は２．３（Ｌ／ｍｉｎ）に変更され、水供給量は６．３（ｃｃ／ｍｉｎ）に変更され、発電用空気供給量は８０．０（Ｌ／ｍｉｎ）に変更される。

ＳＲ１工程では、改質器温度及びスタック温度を発電可能な温度付近まで上昇させるため、燃料ガス供給量及び水供給量を高めに保持している。その後、ＳＲ２工程では、燃料ガス流量及び水供給量を低減して、改質器温度及びセルスタック温度の温度分布を落ち着かせ、発電可能な温度範囲に安定化させる。

制御部１１０は、ＳＲ２工程において、所定の低減速度で燃料ガス供給量を含む各供給量をＳＲ２工程用の供給量に低減し、所定の発電移行期間だけ維持する。これにより、発電移行までに、改質器２０や燃料電池セルスタック１４等を所定の発電移行期間だけ安定した状態に保持し、燃料電池モジュール２内の改質器温度やセルスタック温度等の温度分布を落ち着かせることができる。つまり、発電移行期間は、供給量を低減後の安定化期間として機能する。

所定の発電移行期間が経過した後、改質器温度が６５０℃以上、且つ、スタック温度が７００℃以上であると（発電工程移行条件）、燃料電池モジュール２からインバーター５４に電力を出力させ、発電工程に移行して発電を開始する（発電工程開始）。

続いて、本実施形態に係る固体電解質形燃料電池１において、発電室温度センサー１４２（第二温度センサー）、燃焼室温度センサー１４４（第一温度センサー）、及び改質器温度センサー１４８（第二温度センサー）の少なくとも一つに異常（エラー）が発生した場合の処理について図１１〜図１３を参照しながら説明する。図１１は、温度センサーエラー（異常）が発生した場合の処理を説明するためのフローチャートである。図１２は、温度センサーエラーが発生した場合であって、起動期間における処理を説明するためのフローチャートである。図１３は、温度センサーエラーが発生した場合であって、発電期間における処理を説明するためのフローチャートである。

図１１に示すように、温度センサーエラーが発生すると、制御部１１０は、フラグＦ＝２となっているか判断する（ステップＳ０１）。フラグＦ＝２となっていれば、ステップＳ０６の処理に進み、フラグＦ＝２となっていなければ、ステップＳ０２の処理に進む。

ステップＳ０２において、制御部１１０は、温度センサーエラーの状況がシステム停止エラーの状況であるか判断する。具体的には、二つある改質器温度センサー１４８の双方が同時にエラー状態となるか、発電室温度センサー１４２、燃焼室温度センサー１４４、及び改質器温度センサー１４８の全てがエラー状態となっていれば、システム停止エラーの状況であると判断する。温度センサーエラーの状況がシステム停止エラーの状況となっていればステップＳ０６の処理に進み、温度センサーエラーの状況がシステム停止エラーの状況となっていなければステップＳ０３の処理に進む。

ステップＳ０３において、制御部１１０は、温度センサーエラーの状況が暫定運転継続エラーの状況であるか判断する。温度センサーエラーの状況が暫定運転継続エラーの状況となっていればステップＳ０５の処理に進み、温度センサーエラーの状況が暫定運転継続エラーの状況となっていなければステップＳ０４の処理に進む。

ステップＳ０４において、制御部１１０は、正常運転を行うものとして、フラグＦ＝０を設定する。ステップＳ０５において、制御部１１０は、異常時暫定運転継続制御を行うものとして、フラグＦ＝１を設定する。ステップＳ０６において、制御部１１０は、システム停止を行うものとして、フラグＦ＝２を設定する。

続いて、図１２を参照しながら、起動時の制御について説明する。ステップＳ１１において、制御部１１０は、フラグＦ＝１となっているか判断する。フラグＦ＝１となっていれば暫定継続運転を行うためにリターンする。フラグＦ＝１となっていなければステップＳ１２の処理に進む。

ステップＳ１２において、制御部１１０は、固体電解質形燃料電池１の運転状態が起動期間であるか判断する。固体電解質形燃料電池１の運転状態が起動期間であれば、ステップＳ１３の処理に進み、固体電解質形燃料電池１の運転状態が起動期間でなければ、リターンする。

ステップＳ１３において、制御部１１０は、燃焼室温度センサー１４４がエラー状態となっているか判断する。燃焼室温度センサー１４４がエラー状態となっていれば、ステップＳ１６の処理に進み、燃焼室温度センサー１４４がエラー状態となっていなければ、ステップＳ１４の処理に進む。

ステップＳ１４において、制御部１１０は、発電室温度センサー１４２がエラー状態となっているか判断する。発電室温度センサー１４２がエラー状態となっていれば、ステップＳ１７の処理に進み、発電室温度センサー１４２がエラー状態となっていなければ、ステップＳ１５の処理に進む。

ステップＳ１５において、制御部１１０は、改質器温度センサー１４８がエラー状態となっているか判断する。改質器温度センサー１４８がエラー状態となっていれば、ステップＳ１８の処理に進み、改質器温度センサー１４８がエラー状態となっていなければ、リターンする。

ステップＳ１６において、制御部１１０は、燃料電池セル集合体１２に含まれる燃料電池セル８４（単セル）において燃料ガスに点火したか否かを判定する点火判定を、燃焼室温度センサー１４４による判定から、改質器温度センサー１４８による判定に切り替える。更に、制御部１１０は、点火装置８３による点火頻度を１０秒サイクルで３回行う頻度から、１５秒点火して５秒停止を５回行う頻度へと切り替える。更に、制御部１１０は、点火装置８３において点火プラグに印加する電圧を２０％上昇させる。更に、制御部１１０は、点火判定において、３秒間で１００℃上昇すれば点火したと判定するところ、１０秒間で５０℃上昇すれば点火したものと判定するように切り替える。更に、制御部１１０は、燃料電池セル集合体１２に供給する空気の流量を１０％低下させる。更に、制御部１１０は、改質器２０に供給する空気の流量を５％上昇させる。これらステップＳ１６の処理が終了するとリターンする。

ステップＳ１７において、制御部１１０は、燃料電池セル集合体１２の温度であるスタック温度の推定を、発電室温度センサー１４２を用いた推定から、ＯＣＶの電圧値に基づく推定へと切り替える。図１０に示したように、スタック温度とＯＣＶの電圧値との間には相関関係があるため、この関係を利用してスタック温度を推定するものである。更に、制御部１１０は、改質器２０の温度値に基づく閾値は２０℃上昇させる。更に、制御部１１０は、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）工程への移行条件を４０℃上昇させ、水蒸気改質反応（ＳＲ）工程への移行条件を２０℃上昇させる。更に、制御部１１０は、発電工程への移行条件を満たした温度となった後、３分間は発電工程への移行を制限する制御を実行する。更に、制御部１１０は、発電工程に移行後１０分間は、定格最大値を４００Ｗに制限する制御を実行する。更に、制御部１１０は、発電工程に移行後１０分間は、供給する燃料ガスの流量を５％上昇させる。これらステップＳ１７の処理が終了するとリターンする。

ステップＳ１８において、制御部１１０は、改質器温度センサー１４８の内、エラー状態となっている側の改質器温度センサー１４８からの読み込みを禁止する。更に、制御部１１０は、改質器温度センサー１４８から読み込んだ改質器２０の温度値を２０℃上昇させる。更に、制御部１１０は、発電工程への移行条件を満たした温度となった後、３分間は発電工程への移行を制限する制御を実行する。更に、制御部１１０は、発電工程に移行後１０分間は、定格最大値を４００Ｗに制限する制御を実行する。更に、制御部１１０は、発電工程に移行後１０分間は、供給する燃料ガスの流量を５％上昇させる。これらステップＳ１８の処理が終了するとリターンする。

続いて、図１３を参照しながら、発電時の制御について説明する。ステップＳ２１において、制御部１１０は、フラグＦ＝１となっているか判断する。フラグＦ＝１となっていれば暫定継続運転を行うためにリターンする。フラグＦ＝１となっていなければステップＳ２２の処理に進む。

ステップＳ２２において、制御部１１０は、固体電解質形燃料電池１の運転状態が発電期間であるか判断する。固体電解質形燃料電池１の運転状態が発電期間であれば、ステップＳ２３の処理に進み、固体電解質形燃料電池１の運転状態が発電期間でなければ、リターンする。

ステップＳ２３において、制御部１１０は、燃焼室温度センサー１４４がエラー状態となっているか判断する。燃焼室温度センサー１４４がエラー状態となっていれば、ステップＳ２６の処理に進み、燃焼室温度センサー１４４がエラー状態となっていなければ、ステップＳ２４の処理に進む。

ステップＳ２４において、制御部１１０は、発電室温度センサー１４２がエラー状態となっているか判断する。発電室温度センサー１４２がエラー状態となっていれば、ステップＳ２７の処理に進み、発電室温度センサー１４２がエラー状態となっていなければ、ステップＳ２５の処理に進む。

ステップＳ２５において、制御部１１０は、改質器温度センサー１４８がエラー状態となっているか判断する。改質器温度センサー１４８がエラー状態となっていれば、ステップＳ２８の処理に進み、改質器温度センサー１４８がエラー状態となっていなければ、リターンする。

ステップＳ２６において、制御部１１０は、燃焼室温度センサー１４４からの読み込みを禁止する。ステップＳ２６の処理が終了するとリターンする。

ステップＳ２７において、制御部１１０は、燃料電池セル集合体１２の温度であるスタック温度の推定を、発電室温度センサー１４２を用いた推定から、改質器温度センサー１４８を用いた推定へと切り替える。更に、制御部１１０は、改質器温度センサー１４８が読み込んだ温度値を２０℃上昇させる。更に、制御部１１０は、発電運転において異常であると判断する温度の上限閾値を１０℃低下させると共に、下限閾値を１０℃上昇させる。
これらステップＳ２７の処理が終了するとリターンする。

ステップＳ２８において、制御部１１０は、改質器温度センサー１４８の内、エラー状態となっている側の改質器温度センサー１４８からの読み込みを禁止する。更に、制御部１１０は、改質器温度センサー１４８から読み込んだ改質器２０の温度値を２０℃上昇させる。更に、制御部１１０は、発電運転において異常であると判断する温度の上限閾値を１０℃低下させると共に、下限閾値を１０℃上昇させる。これらステップＳ２８の処理が終了するとリターンする。

上述したように本実施形態において制御部１１０は、燃焼室温度センサー１４４（第一温度センサー）の温度検出に異常が発生したか否かを判定し、当該判定の結果、燃焼室温度センサー１４４に異常が発生していると判断した場合に、他の温度センサー（第二温度センサー）による温度検出によって特定の単セルにおける燃料ガスの点火を検知する代替検知制御モード（図１２のステップＳ１３，ステップＳ１６）を実行するものである。

本実施形態に係る固体電解質形燃料電池１は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体電解質形燃料電池装置であるから、その内部に配置される燃焼室温度センサー１４４及び他の温度センサー（発電室温度センサー１４２，改質器温度センサー１４８）は、高温の過酷な使用環境に晒される。一方で、固体電解質形燃料電池１は、発電装置であるから温度センサーの一部に異常が発生しても、極力運転を継続することが求められる。そこで、特定の単セルにおける燃料ガスの点火を、特定の単セルの他端側の温度上昇を検出することによって検知する燃焼室温度センサー１４４に異常が発生した場合に、制御部１１０が他の温度センサーによる温度検出によって特定の単セルにおける燃料ガスの点火を検知する代替検知制御モードを実行するものとしている。このように、第一温度センサーに異常が発生した場合であっても、正常な第二温度センサーを利用して代替検知制御モードを実行することにより、温度センサーの一部に異常が発生しても、即座に運転停止することなく、使用者に使用不可という負担を負わせることがない。

本実施形態では、燃焼室温度センサー１４４の代替として改質器温度センサー１４８を用い、制御部１１０は、代替検知制御モードにおいて、点火装置８３による点火性能を高めるように、点火装置８３の点火頻度及び点火力を変更する制御を行っている（図１２のステップＳ１６）。

このように、代替温度センサーである改質器温度センサー１４８が改質器２０の温度を検出するものであるので、単セルにおける燃料ガスの点火を直接的に検知することは困難であるところ、代替検知制御モードにおいて、点火装置８３による点火性能を高めるように制御しているので、点火不良状態のまま運転を継続することを回避することができる。

本実施形態では、制御部１１０は、点火装置８３による点火動作の後、所定期間内に所定温度上昇した場合に特定の単セルにおいて燃料ガスに点火したものと検知するものであって、代替検知制御モードにおいては、所定期間を延長すると共に、点火装置８３の点火頻度を高めている。

上述したように、燃焼室温度センサー１４４による点火検知から改質器温度センサー１４８による点火検知に切り替えているので、点火装置８３による点火性能を高めたとしても、確実に点火したか否かを判断することは困難なものとなる。そこで、所定期間内に所定温度上昇した場合に特定の単セルにおいて燃料ガスに点火したものと検知するところ、その所定期間を延長する（図１２のステップＳ１６では、３秒から１０秒に延長）ことで、特定の単セルにおける点火検知の判断基準を緩和している。このように特定の単セルにおける点火検知の判断基準を緩和することに加え、点火装置８３の点火頻度を高めることで、特定の単セルにおける点火の誤判断及びその誤判断に起因する誤制御を回避するものとしている。

本実施形態では、制御部１１０は、代替検知制御モードにおいて、点火装置８３による点火動作の繰り返し回数を高めている。点火装置８３による点火動作の繰り返し回数を高めることで、特定の単セルにおける点火不良を確実に回避すると共に、特定の単セルにおいて点火しているにもかかわらず異常処理させてしまうことを回避することができる。

本実施形態では、制御部１１０は、特定の単セルにおける燃料ガスの点火を促進する点火促進制御を行うものであり、制御部１１０は、代替検知制御モードにおいて、点火促進制御の実行期間を延長している。

本実施形態に係る固体電解質形燃料電池１の起動工程では、部分酸化改質反応工程（ＰＯＸ工程）、オートサーマル改質反応工程（ＡＴＲ工程）、水蒸気改質反応工程（ＳＲ工程）と工程が進行するにつれて内部温度が上昇するものであり、所定の温度を超えれば複数の単セル全てにおいて燃料ガスが自然着火する。この自然着火に至る温度帯域においては、特に内部の温度を的確に把握する必要がある。そこで、起動工程の初期工程である部分酸化改質反応工程（ＰＯＸ工程）では、単セルにおいて燃料ガスが着火していないとそもそもＰＯＸ反応が進行していないことを利用し、改質器２０の温度を検出する改質器温度センサー１４８によって改質器２０の温度がＰＯＸ反応による温度まで上昇していることを検出することで、単セルにおける燃料ガスの着火を検知するものとしている。更に、このような点火・失火の判断が困難である期間において、点火促進制御の実行期間を延長することで、確実に特定の単セルにおける燃料ガスの点火を促進し、失火のリスクを低減するものとしている。

本実施形態では、制御部１１０は、代替検知制御モードでの点火促進制御において、複数の単セルの一端側から他端側に燃料ガスと共に流す酸化剤ガス（空気）の流量の抑制期間を延長し、特定の単セルから他の単セルへの火移り性を抑制することで複数の単セルにおける失火を防止している（図１２のステップＳ１６）。

特定の単セルにおける燃料ガスの点火を直接的に検知する燃焼室温度センサー１４４に異常が発生した場合においては、単セルにおける突発的な失火を検知することは困難である。そこで、複数の単セルに供給する酸化剤ガス（空気）の供給量を抑制することで、特定の単セルから他の単セルへの火移りを抑制することと引き換えに、複数の単セルにおける失火を防止するものとしている。

本実施形態では、制御部１１０は、代替検知制御モードでの点火促進制御において、改質器２０に供給する空気の流量を増加させ、改質器２０において部分酸化改質反応の進行を促進させている（図１２のステップＳ１６）。このように、点火促進制御において改質器２０に供給する空気の流量を増加させ、改質器２０において部分酸化改質反応の進行を促進させることで、単セルにおける燃料ガスの点火に応じた改質器２０の温度上昇を促進させ、点火判定を確実に行えるものとしている。

また上述したように本実施形態において、制御部１１０は、容器内温度センサー（発電室温度センサー１４２、燃焼室温度センサー１４４、改質器温度センサー１４８）の温度検出に異常が発生したか否かを判定し、当該判定の結果、容器内温度センサーに異常が発生していると判断した場合に、電力状態センサー（電力状態検出センサー１２６）による開回路電圧検出によって運転状態の制御を行う代替制御モード（図１２のステップＳ１４，ステップＳ１７）を実行する。

これは、容器内温度と開回路電圧とが相関関係にあることを本発明者らが発見し、この知見に基づいて、開回路電圧を利用した運転状態の制御を行うものである。このように、容器内温度センサーに異常が発生した場合であっても、正常な電力状態センサーを利用して代替制御モードを実行することにより、容器内温度センサーの一部に異常が発生しても、即座に運転停止することなく、使用者に使用不可という負担を負わせることがない。

本実施形態では、制御部１１０は、複数の温度センサー（発電室温度センサー１４２、燃焼室温度センサー１４４、改質器温度センサー１４８）の少なくとも一つが正常であれば電力状態検出センサー１２６と併用することで代替制御モードを実行し、複数の温度センサーの全てに異常が発生していれば代替制御モードを実行しない。

上述したように開回路電圧と容器内温度とは相関関係にあるので、容器内がある程度の温度帯域の中にあることは推定することができる。しかしながら、容器内の温度を正確に知ることや、容器内の温度がどのような傾向で推移しているのかを知ることは困難である。そこでこの好ましい態様では、複数の温度センサーの少なくとも一つが正常であれば電力状態センサーと併用することで、開回路電圧による温度推定と正常な温度センサーによる温度検出とを併用することが可能となり、容器内温度の把握精度を向上することができる。また、容器内温度センサーの全てが異常であれば、代替制御モードを実行しないので、温度センサーにおける異常以外の不具合を拡大させることを防止できる。

本実施形態では、制御部１１０は、発電室温度センサー１４２に異常が発生していると判断した場合に、電力状態検出センサー１２６による開回路電圧検出と、改質器温度センサー１４８による改質器温度検出とによって、部分酸化改質反応工程から、オートサーマル改質反応工程を経て、水蒸気改質反応工程に至るように工程を遷移させる起動工程を制御し、代替制御モードを実行する（図１２のステップＳ１７）。

本実施形態では、起動工程中において発電や負荷追従運転を行っていないので、容器内温度と開回路電圧との相関性はより高まる。そこで、起動工程において改質器温度検出と併用して開回路電圧検出を用いた代替制御モードを実行することで、固体電解質形燃料電池１の運転を停止せずに起動工程を進行させることができる。

本実施形態では、制御部１１０は、起動工程における工程遷移の移行温度条件を、代替制御モードにおいては高い温度となるように変更する（図１２のステップＳ１７）。

上述したように開回路電圧と容器内温度とは相関関係にあるので、容器内がある程度の温度帯域の中にあることは推定することができる。しかしながら、容器内の温度を正確に知ることや、容器内の温度がどのような傾向で推移しているのかを知ることは困難である。そこで起動工程における工程遷移の移行温度条件を、代替制御モードにおいては高い温度となるように変更することで、容器内温度が上がらないまま工程遷移が実行されてしまうことを抑制することができ、温度センサーにおける異常以外の不具合を拡大させることを防止できる。

本実施形態では、制御部１１０は、改質器温度センサー１４８が検出する改質器温度に基づく移行温度条件を、代替制御モードにおいては高い温度となるように変更する（図１２のステップＳ１７）。

このように、吸熱反応を起こす改質器２０の温度が十分高くなったことを利用して工程遷移を実行することができるので、容器内の温度も必要な温度まで高くなっていると推定することを利用し、改質器温度センサー１４８が検出する改質器温度に基づく移行温度条件を、代替制御モードにおいては高い温度となるように変更している。従って、容器内温度が上がらないまま工程遷移が実行されてしまうことを抑制することができ、温度センサーにおける異常以外の不具合を拡大させることを防止できる。

本実施形態では、制御部１１０は、起動工程から発電工程に移行する際に、水蒸気改質反応工程から発電工程への移行温度条件を満たした後、水蒸気改質反応工程を継続する期間を延長する（図１２のステップＳ１７）。

本実施形態では、容器内温度が十分に上がらないまま発電工程へ移行してしまうと、温度センサー以外の部分においても多大な不具合が発生するおそれがある。そこで、水蒸気改質反応工程から発電工程への移行温度条件を満たした後、水蒸気改質反応工程を継続する期間を延長することで、容器内温度をより確実に上昇させることができる。

本実施形態では、制御部１１０は、起動工程から発電工程に移行した後、発電出力の上限値を、代替制御モードにおいては低い出力となるように変更する（図１２のステップＳ１７）。

このように、代替制御モードを実行している際に発電工程に移行した場合には、発電出力の上限値を抑制することで、容器内温度のバラつきによる影響を最小限のものとすることができる。また、発電出力を抑制することで、容器内温度を均一に上昇させる効果を奏することもできる。

本実施形態では、制御部１１０は、代替制御モードでの発電工程においては、燃料利用率及び発電出力の少なくとも一方を低下させる（図１２のステップＳ１７）。

このように、代替制御モードでの発電工程において、燃料利用率及び発電出力の少なくとも一方を低下させることで、容器内温度が降下する要因を排除し、温度センサーにおける異常以外の不具合を拡大させることを防止できる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１：固体電解質形燃料電池
２：燃料電池モジュール
４：補機ユニット
６：ハウジング
８：密封空間
１０：発電室
１２：燃料電池セル集合体
１２ａ：上面
１２ｂ：下面
１２ｃ：長辺側面
１２ｄ：短辺側面
１４：燃料電池セルスタック
１６：燃料電池セルユニット
１８：燃焼室
２０：改質器
２２：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
３０：燃料供給源
３２：ガス遮断弁
３６：脱硫器
３８：燃料流量調整ユニット
４０：空気供給源
４２：電磁弁
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
４６：第一ヒーター
４８：第二ヒーター
５０：温水製造装置
５２：制御ボックス
５４：インバーター
５６：ケーシング
５８：蒸発混合器
６０：被改質ガス供給管
６２：水供給管
６４：燃料供給管
６６：マニホールド
６６ａ：下端側
６８：燃料ガスタンク
７０：燃焼ガス配管
７２：発電用空気流路
７２ａ：出口ポート
７４：発電用空気導入管
７４ａ：導入口
７６：発電用空気供給路
７８：吹出口
８０：燃焼ガス排出室
８２：燃焼ガス排出管
８３：点火装置
８４：燃料電池セル
８６：内側電極端子
８８：燃料ガス流路
９０：内側電極層
９０ａ：上部
９０ｂ：外周面
９０ｃ：上端面
９２：外側電極層
９４：電解質層
９６：シール材
９８：燃料ガス流路
１１０：制御部
１１２：操作装置
１１４：表示装置
１１６：報知装置
１２０：可燃ガス検出センサー
１２２：検出センサー
１２４：貯湯状態検出センサー
１２６：電力状態検出センサー
１２８：発電用空気流量検出センサー
１３０：改質用空気流量センサー
１３２：燃料流量センサー
１３４：水流量センサー
１３６：水位センサー
１３８：圧力センサー
１４０：排気温度センサー
１４２：発電室温度センサー
１４４：燃焼室温度センサー
１４６：排気ガス室温度センサー
１４８：改質器温度センサー
１５０：外気温度センサー

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体電解質形燃料電池装置であって、
   炭化水素を含む原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器と、
   電気的に接続され互いに沿うように立設された複数の単セルを有し、これら複数の単セルの一端側から他端側に燃料ガスと酸化剤ガスとが流れることで発電するセル集合体と、
   前記改質器及び前記セル集合体を収容する容器と、
   前記複数の単セルを通過した燃料ガスを燃焼させることで、前記改質器及び前記複数の単セルを昇温させる燃焼部と、
   前記複数の単セルに含まれる特定の単セルの他端側において、当該特定の単セルを通過した燃料ガスに点火することで、燃焼部における燃料ガスの燃焼を開始させる点火装置と、
   前記特定の単セルにおける燃料ガスの点火を、前記特定の単セルの他端側の温度上昇を検出することによって検知する燃焼室温度センサーと、
   前記改質器の温度を検出する改質器温度センサーと、
   前記燃焼室温度センサー及び前記改質器温度センサーから出力される信号に基づいて、前記点火装置を制御すると共に前記固体電解質形燃料電池装置における運転状態の制御を行う制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記燃焼室温度センサーの温度検出に異常が発生したか否かを判定し、当該判定の結果、前記燃焼室温度センサーに異常が発生していると判断した場合に、前記改質器温度センサーによる温度検出によって前記特定の単セルにおける燃料ガスの点火を検知する代替検知制御モードを実行し、
   さらに前記制御手段は、前記点火装置による点火動作の後、所定期間内に所定温度上昇した場合に前記特定の単セルにおいて燃料ガスに点火したものと検知するものであって、
   前記代替検知制御モードにおいては、点火検知の判断基準を緩和するように前記所定期間を延長すると共に、前記点火装置による点火性能を高めるように、前記点火装置の点火頻度及び点火力の少なくとも一方を変更する制御を行うことを特徴とする固体電解質形燃料電池装置。
2. 前記制御手段は、前記代替検知制御モードにおいて、前記点火装置による点火動作の繰り返し回数を高めることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質形燃料電池装置。
3. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体電解質形燃料電池装置であって、
   炭化水素を含む原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器と、
   電気的に接続され互いに沿うように立設された複数の単セルを有し、これら複数の単セルの一端側から他端側に燃料ガスと酸化剤ガスとが流れることで発電するセル集合体と、
   前記改質器及び前記セル集合体を収容する容器と、
   前記複数の単セルを通過した燃料ガスを燃焼させることで、前記改質器及び前記複数の単セルを昇温させる燃焼部と、
   前記複数の単セルに含まれる特定の単セルの他端側において、当該特定の単セルを通過した燃料ガスに点火することで、燃焼部における燃料ガスの燃焼を開始させる点火装置と、
   前記特定の単セルにおける燃料ガスの点火を、前記特定の単セルの他端側の温度上昇を検出することによって検知する燃焼室温度センサーと、
   前記改質器の温度を検出する改質器温度センサーと、
   前記燃焼室温度センサー及び前記改質器温度センサーから出力される信号に基づいて、前記点火装置を制御すると共に前記固体電解質形燃料電池装置における運転状態の制御を行う制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記燃焼室温度センサーの温度検出に異常が発生したか否かを判定し、当該判定の結果、前記燃焼室温度センサーに異常が発生していると判断した場合には、
   前記改質器温度センサーから出力される信号により、前記改質器の温度が部分酸化改質反応による温度まで上昇したかどうかを判定し、当該判定に基づいて、単セルにおける燃料ガスの着火を検知する代替検知制御モードを実行することを特徴とする固体電解質形燃料電池装置。
4. 前記制御手段は、前記特定の単セルにおける燃料ガスの点火を促進する点火促進制御を行うものであり、
   前記制御手段は、前記代替検知制御モードにおいて、前記点火促進制御の実行期間を延長することを特徴とする請求項３に記載の固体電解質形燃料電池装置。
5. 前記制御手段は、前記代替検知制御モードでの前記点火促進制御において、前記複数の単セルの一端側から他端側に燃料ガスと共に流す酸化剤ガスの流量の抑制期間を延長し、前記特定の単セルから他の単セルへの火移り性を抑制することで前記複数の単セルにおける失火を防止することを特徴とする請求項４に記載の固体電解質形燃料電池装置。
6. 前記制御手段は、前記代替検知制御モードでの前記点火促進制御において、前記改質器に供給する空気の流量を増加させ、前記改質器において部分酸化改質反応の進行を促進させることを特徴とする請求項５に記載の固体電解質形燃料電池装置。

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