特許 5995183 燃料電池装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5995183

(24)【登録日】2016年9月2日

(45)【発行日】2016年9月21日

(54)【発明の名称】燃料電池装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04701 20160101AFI20160908BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20160908BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20160908BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20160908BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 T

   H01M8/04 X

   !H01M8/12

【請求項の数】2

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-33198(P2012-33198)

(22)【出願日】2012年2月17日

(65)【公開番号】特開2013-171636(P2013-171636A)

(43)【公開日】2013年9月2日

【審査請求日】2015年1月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000010087

【氏名又は名称】ＴＯＴＯ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】川村 昌之

【審査官】 相羽 昌孝

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−００９２０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２４２６２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２４３５９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１８６６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１７６１３６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００− ８／２４８５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一端より燃料ガスを排出する燃料電池セルと、
複数の前記燃料電池セルより構成され、略同一平面上から略同一方向へ燃料ガスが排出されるよう前記燃料電池セルが併設して配置された燃料電池セル集合体と、
酸化剤ガスと燃料電池セルより排出された燃料ガスを燃焼させるよう、前記燃料電池セルの燃料ガス排出方向側に前記燃料電池セル集合体に隣接して設けられた燃焼領域と、
前記燃焼領域において燃料電池セルより排出された燃料ガスに着火する着火手段と、
前記燃焼領域を第一の所定温度まで加熱する加熱手段と、
前記着火手段および前記加熱手段を制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、前記加熱手段により、前記第一の所定温度まで前記燃焼領域を加熱する予備加熱を行った後、前記着火手段によって燃料ガスに着火を行うことにより、前記第一の所定温度よりも高い、前記燃料電池セルを発電可能な第二の所定温度まで加熱する本加熱を行い、
前記加熱手段は、前記燃料電池セルから排出される燃料ガスに着火することにより発生する燃焼の燃焼熱によって前記燃焼領域を第一の所定温度まで加熱するものであり、
前記制御手段は、燃焼領域を前記加熱手段により第一の所定温度まで加熱した後、燃焼により生じている炎を失火させ、前記着火手段によって前記燃料電池セルから排出される燃料ガスに再着火することによって本加熱を行なうことを特徴とする燃料電池装置。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池装置は、さらに、燃料電池セルへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃焼領域へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を備え、
前記加熱手段は、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段と前記着火手段から構成されており、
前記予備加熱は、前記燃料ガス供給手段および前記酸化剤ガス供給手段より供給された燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを前記着火手段により燃焼させることによって行われることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）とを用いて電力を得ることができる複数の燃料電池セルをケーシング内に収容し、それら複数の燃料電池セルに燃料ガスと発電用空気とを供給して発電する燃料電池装置が種々提案されている。このような燃料電池装置では、起動初期時等の低温時において、迅速に昇温し、少しでも早く発電状態に移行することが要求される。その要求に応えるために、燃料ガスと発電用空気を燃焼させ、その燃焼熱を利用して燃料電池セルの昇温を図る燃料電池装置が知られている。その一つとして、特許文献１に開示されている燃料電池装置が挙げられる。

【0003】

特許文献１に開示された燃料電池装置は、多数の円筒型燃料電池セルが列を成すようにして配置された燃料電池セル集合体の一端側に位置する一の燃料電池セルの先端上方に着火プラグが配置されている。上記一の燃料電池セル内部の燃料ガス流路を経由して、燃料電池セル先端から排出された燃料ガスは、この着火プラグが発した火花により着火され、この着火により生じた上記一の燃料電池セル先端の燃焼炎が、燃料電池セル集合体上部の一端側から他端側に向かって、順次、隣接する燃料電池セル先端から排出された燃料ガスに引火（火移り）していくことで、全ての燃料電池セル先端に燃焼が生じるよう構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−６７５４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところが、上記構成においては、冷間起動時、燃料ガスに着火を行う際、燃焼室内に供給された燃料ガスの温度が、発火点に大きく達しておらず、着火プラグによる着火動作時、火移りが途中で止まってしまうことがある。火移りが途中で止まってしまうと、先端に燃焼を生じていないセルより排出された未燃の燃料ガスが、燃料電池装置外部に放出されてしまい、それらの燃料ガスが無駄になってしまう。また、火移りが途中で止まってしまった場合、先端に燃焼を生じていないセルが存在するため、その分、燃料電池セル集合体に加えられる熱量が減少し、燃料電池装置の昇温速度が低下してしまう。したがって、燃料電池装置が発電可能な温度に達するまでの時間がより長くなってしまう。これは、使用者にとっては大変不便である。

【0006】

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、着火手段による着火動作時の燃焼炎の火移り性を向上させることが可能な燃料電池装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る燃料電池装置は、一端より燃料ガスを排出する燃料電池セルと、複数の前記燃料電池セルより構成され、略同一平面上から略同一方向へ燃料ガスが排出されるよう前記燃料電池セルが併設して配置された燃料電池セル集合体と、酸化剤ガスと燃料電池セルより排出された燃料ガスを燃焼させるよう、燃料電池セルの燃料ガス排出方向側に燃料電池セル集合体に隣接して設けられた燃焼領域と、燃焼領域において燃料電池セルより排出された燃料ガスに着火するために火花を発生する着火手段と、燃焼領域を第一の所定温度まで加熱する加熱手段と、着火手段および加熱手段を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、加熱手段により、第一の所定温度まで燃焼領域を加熱する予備加熱を行った後、着火手段によって燃料ガスに着火を行うことにより、第一の所定温度よりも高い、燃料電池セルを発電可能な第二の所定温度まで加熱する本加熱を行うことを特徴とする。

【0008】

このように構成された本発明においては、本加熱を行う際、すでに、燃焼領域が、第一の所定の温度まで加熱された状態で、燃料電池セルより排出された燃料ガスに着火することが可能となる。したがって、燃焼領域の低い温度によって、燃料電池セルより排出された燃料ガスが冷やされることがないのみならず、加熱された燃焼領域において、燃料電池セルより排出された燃料ガスが、より引火が生じやすくなる発火点まで温められやすくなるため、燃料ガスへの着火動作時、例え冷間起動時であっても、燃焼炎が未着火の燃料ガスへ引火しやすくなり、火移り性を向上させることができる。

【0009】

本発明は、好ましくは、制御手段は、第一の所定温度まで燃焼領域を加熱すると、加熱手段による燃焼領域の加熱を停止する。

【0010】

このように構成された本発明においては、燃焼領域が第一の所定温度に達すると、加熱手段による燃焼領域の加熱を停止するため、この加熱手段によって燃焼領域を必要以上に加熱することがなくなる。したがって、加熱手段に必要以上に負荷をかけることなく、火移り性を向上させることができる。

【0011】

本発明は、好ましくは、加熱手段は、燃料電池セルから排出される燃料ガスに着火することにより発生する燃焼の燃焼熱によって燃焼領域を第一の所定温度まで加熱するものであり、制御手段は、燃焼領域を加熱手段により第一の所定温度まで加熱した後、燃焼により生じている炎を失火させ、着火手段によって燃料電池セルから排出される燃料ガスに再着火することによって本加熱を行なう。

【0012】

燃焼炎の火移りを生じさせるには、燃焼炎を揺らがせたり、燃料電池セルより排出される燃料ガスを周囲に拡散させるための外乱を加える必要がある。この外乱は、通常、着火手段により燃料ガスに着火した瞬間に、炎の燃料ガスへの広がりによって生じる爆発によりもたらされるものである。上記のように構成された本発明においては、本加熱前に、燃焼により生じている燃焼炎を失火させるため、本加熱時に、既に燃焼炎が存在することにより、着火対象となる未着火の燃料ガスが着火手段の火花発生位置近傍に存在せず、着火手段により燃料ガスへ着火が行えなくなるという状況に陥ることがない。したがって、確実に着火手段の発する火花によって燃料ガスに着火することが可能となるため、より安定して火移り性を向上させることができる。
また、このように構成された本発明においては、別途、第一の所定温度まで燃焼領域を加熱し続ける熱源を設ける必要がないため、熱源に要する設備コストを費やすことなく、火移り性の向上を図ることができる。

【0013】

本発明は、好ましくは、さらに、セルへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃焼領域へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を備え、加熱手段は、燃料ガス供給手段と酸化剤ガス供給手段と着火手段から構成されており、予備加熱は、燃料ガス供給手段および酸化剤ガス供給手段より供給された燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを着火手段により燃焼させて行われる。

【0014】

このように構成された本発明においては、加熱装置が、燃料電池装置の運転に必須の構成のみからなっているため、加熱手段として、別途、新たな構成を追加する必要がない。したがって、設備コストを上昇させることなく、容易に火移り性の向上を図ることができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明の燃料電池装置によれば、着火手段による着火動作時の燃焼炎の火移り性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池装置１を示す全体構成図である。

【図2】本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール２の外観を示す斜視図である。

【図3】図２の中央近傍における断面図であって、図２のＡ方向から見た断面を示す断面図である。

【図4】図２の中央近傍における断面図であって、図２のＢ方向から見た断面を示す断面図である。

【図5】図２のケーシング５６から一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。

【図6】図３に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。

【図7】図４に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。

【図8】本発明の実施形態に用いられる燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。

【図9】本発明の実施形態に係る燃料電池セルスタック１４の構成を示す斜視図である。

【図10】本発明の実施形態に係るイグナイタ４２と燃焼領域温度センサ４８の配置位置を示す平面図である。

【図11】本発明の実施形態に係る制御部１０周辺の電気的構成および制御部１０の機能的構成を示すブロック図である。

【図12】本発明の実施形態に係る燃料電池装置１の制御内容を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

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。

【0018】

図１は、本発明の一実施形態である燃料電池装置の全体構成図である。図１に示すように、本発明の一実施形態における燃料電池装置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。

【0019】

まず、燃料電池モジュール２の主要な構成について説明する。燃料電池モジュール２は、ケーシング５６を備え、このケーシング５６内部下方の発電室６には、燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）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。発電室６の上方には、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）とが燃焼される燃焼領域１８が設けられており、燃焼領域１８における燃焼により燃焼ガスが発生するようになっている。また、この燃焼領域１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置されており、燃焼領域１８における燃焼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、燃焼熱により内部を通過する発電用空気を加熱するための熱交換器２２が配置されている。

【0020】

次に、補機ユニット４について説明する。補機ユニット４は、水道等の水供給源２６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２８と、この純水タンク２８から燃料電池モジュール２へ供給する水の流量を調整する水流量調整ユニット３０（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３２から燃料電池モジュール２へ供給する燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３４（燃料ガス供給手段に相当するものであり、モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、空気供給源３６から燃料電池モジュール２へ供給する発電反応用の空気の流量を調整する発電用空気流量調整ユニット３８（酸化剤ガス供給手段に相当するものであり、モータで駆動される「空気ブロア」等）と空気供給源３６から燃料電池モジュール２へ供給する改質反応用の空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４０（モータで駆動される「空気ブロア」等）を備えている。さらに、補機ユニット４には、燃料ガスや発電用空気の供給量等を制御するための制御手段である制御部１０が設置されている。

【0021】

次に、図２〜図５に基づき、本実施形態における燃料電池モジュール２の構造について、詳しく説明する。図２は、本実施形態における燃料電池モジュール２の斜視図であり、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池モジュール２の短手方向に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向に沿った方向を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。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。図３は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＡ方向から見た断面図である。図４は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＢ方向から見た断面図である。図５は、図２に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体１２を覆うケーシング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。

【0022】

燃料電池モジュール２は、上述したように、燃料電池セル集合体１２を収容するケーシング５６と、ケーシング５６の上部に設けられている熱交換器２２を備えている。ケーシング５６の一方の長辺側面には、イグナイタ挿入口４４が形成されており、このイグナイタ挿入口４４に、燃焼領域１８での燃焼を誘発するために火花を発生するイグナイタ４２（着火手段）が挿入設置されている。そして、もう一方の長辺側面には、温度センサ挿入口４６が形成されており、この温度センサ挿入口４６に、燃焼領域１８内部の温度を検出する熱電対等の燃焼領域温度センサ４８（温度検出手段）が挿入設置されている。また、このケーシング５６には、燃料ガス・改質用空気供給管６０と、水供給管６２とが繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが繋げられている。

【0023】

燃料ガス・改質用空気供給管６０は、ケーシング５６の内部に燃料ガス（都市ガス等の改質用の被改質ガス）と、燃料ガスを改質する際に用いられる空気を供給する管路であり、上流端が、燃料流量調整ユニット３４と改質用空気流量調整ユニット４０に繋げられている。水供給管６２は、燃料ガスを改質する際に用いられる水を供給する管路であり、上流端は、水流量調整ユニット３０に繋げられている。燃焼ガス排出管８２は、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと発電用空気とを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気を供給する管路であり、上流端は、発電用空気流量調整ユニット３８へ繋げられている。

【0024】

本実施形態の場合、水供給管６２から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器（図に明示しない）は、改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、燃料ガス（被改質ガス）と空気とを混合するためのものである。

【0025】

燃料ガス・改質用空気供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に改質器２０に繋がれている。より具体的には、図４に示すように、改質器２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。

【0026】

改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼領域１８の更に上方に配置されている。したがって、改質器２０は、燃料ガス及び発電用空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器２０としての役割とを果たすように構成されている。

【0027】

改質器２０の下流端（図４の左端）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内に入り込むように配置されている。

【0028】

図３〜図５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を経由した燃料ガスは、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、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路８８（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼領域１８に至るようになっている。

【0029】

続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための構造を、図３〜図５及び図６、図７に基づき説明する。図６は、図３に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図７は、図４に対応する模式図であって、同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器２０の上方に、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とが設けられている。

【0030】

熱交換器２２の上面における一端側（図４における右端）には、発電用空気導入管７４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３８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。

【0031】

熱交換器２２の上側の他端側（図４における左端）には、図３に示すように、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６につながっている。さらに、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７７が形成されている。

【0032】

したがって、発電用空気供給路７７には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａ及び連絡流路７６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７７は、燃料電池セル集合体１２の長手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６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７８ａ、７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ、７８ｂ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の外側面に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。

【0033】

続いて、燃料ガスと発電用空気と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。燃料電池セルユニット１６の上方にある燃焼領域１８では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、燃焼領域１８内を上昇し、燃焼ガス集合部２１に至る。燃焼ガス集合部２１には、図７に示すように、開口２１ａが設けられており、開口２１ａ内に燃焼ガスが導かれる。この開口２１ａを通った燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側に至る。熱交換器２２内には、燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０（燃焼ガス流路）が設けられている。これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、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。

【0034】

次ぎに、図８に基づき、燃料電池セルユニット１６について説明する。図８は、本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。図８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。

【0035】

燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層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。

【0036】

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と連通する連通流路９８が形成されている。

【0037】

続いて、図９に基づき、燃料電池セルスタック１４について説明する。図９は、本実施形態における燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。

【0038】

図９に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。

【0039】

さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面とを電気的に接続するものであり、これにより燃料電池セルユニット１６が全て直列接続されるようになっている。

【0040】

図１０は、燃料電池セル集合体１２上方における、イグナイタ４２と燃焼領域温度センサ４８の配置位置を説明するための平面図である。図１０に示すように、イグナイタ４２は、Ａ方向末端側に配置されている。イグナイタ４２は、陽極４３ａと陰極（接地電極）４３ｂよりなる着火プラグ４３を先端に有し、図示しない電源から、これらの電極間に高電圧を印加することにより、陽極４３ａ先端と陰極４３ｂ先端の隙間に火花放電を発生させ、このとき生じた火花によって、Ａ方向末端側の燃料電池セルユニット１６の排出口９９から排出された燃料ガスに着火を行う。本実施形態においては、イグナイタ４２はＡ方向末端より２列目、Ｂ方向基端より２列目に配置された燃料電池セルユニット１６の排出口９９より排出された燃料ガスに着火を行うよう配置されている。なお、この着火により燃料電池セルユニット１６先端に生じた燃焼炎が、順次、隣接する燃料電池セルユニット１６より排出される燃料ガスに引火していくことにより、燃料電池セル集合体１２の上部全体で、燃焼が生じるようになっている。

【0041】

一方、燃焼領域温度センサ４８は、Ａ方向基端側に配置され、Ａ方向基端側の燃料電池セル集合体１２上方の温度の検出を行っており、本実施形態においては、この燃焼領域温度センサ４８により検出された温度が、燃焼領域１８の温度と同等であるとみなしている。

【0042】

次に、図１１に基づき、制御部１０について説明する。図１１は、本実施形態における制御部１０周辺の電気的構成および制御部１０の機能的構成を示すブロック図である。図１１に示すように、制御部１０には複数のセンサが接続されている。発電用空気流量センサ１０８は、発電室６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り、発電用空気流量調整ユニット３８に設けられている。改質用空気流量センサ１１０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り、改質用空気流量調整ユニット４０に設けられている。燃料流量センサ１１２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り、燃料流量調整ユニット３４に設けられている。水流量センサ１１４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り、水流量調整ユニット３０に設けられている。また、燃焼領域温度センサ４８は、上述した通り、Ａ方向基端側の燃料電池セル集合体１２上方の温度の検出を行うものである。発電室温度センサ１１６（例えば、熱電対等）は、図３に示すように、ケーシング５６の内部の燃料電池セル集合体１２近傍に設けられており、燃料電池セル集合体１２近傍の温度を検出して、燃料電池セル８４の温度を推定するためのものである。

【0043】

制御部１０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびタイマ等を内蔵しており、ＣＰＵは、各種センサが検出した結果をデータとして取り込むとともに、ＲＯＭに記憶された各種のプログラムやＲＡＭに記憶されたデータ等に基づいて、後述する各種処理や制御を行う。

【0044】

本実施形態における制御部１０は、これを機能的に捉えた場合、図１１に示すように、流量比較処理部１０ａと、発電用空気流量制御部１０ｂと、改質用空気流量制御部１０ｃと、燃料流量制御部１０ｄと、水流量制御部１０ｅと、着火状態判定処理部１０ｆと、着火制御部１０ｇと、目標供給量設定処理部１０ｈと、本加熱開始処理部１０ｉを有している。

【0045】

流量比較処理部１０ａは、各種流量センサ（１０８、１１０、１１２、１１４）の検出結果と、ＲＡＭに記憶されている各々の供給物の目標供給量とを比較して、それらの差を、各種流量調整ユニット（３０、３４、３８、４０）に対応する制御部（１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ）へ出力する。

【0046】

各種流量調整ユニット（３０、３４、３８、４０）に対応する制御部（１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ）は、流量比較処理部１０ａからの出力に基づき、各種流量調整ユニット（３０、３４、３８、４０）へ制御信号を出力し、それらの流量調整ユニットにおける供給量を制御する。例えば、発電用空気流量調整ユニット３８が空気ブロワにより構成されている場合には、発電用空気流量制御部１０ｂは、流量比較処理部１０ａからの出力に基づき、空気ブロワの回転数を制御する。同様に、燃料流量調整ユニット３４が燃料ポンプにより構成されている場合には、燃料制御部１０ｄは、流量比較処理部１０ａからの出力に基づき、燃料ポンプの回転数を制御する。なお、燃料電池装置１の運転状況によっては、流量比較処理部１０ａにおける目標供給量は、発電室温度センサ１１６の検出結果に基づき目標供給量設定処理部１０ｈから流量比較処理部１０ａへ出力された信号に応じて設定される。また、本加熱開始処理部１０ｉは、燃焼領域温度センサ４８の検出結果が、予めＲＡＭに記憶されている、燃焼炎が未着火の燃料ガスへ引火しやすくなる所定の温度Ｔａ（第一の所定温度）より大きい場合、燃料電池セル８４を発電可能な所定の温度Ｔｂ（第二の所定温度）まで加熱する本加熱を開始するために、燃料流量制御部１０ｄに信号を出力し、燃料流量制御部１０ｄによって燃料流量調整ユニット３４を制御する。上記所定の温度Ｔｂは所定の温度Ｔａよりも大きく、所定の温度Ｔａは、燃料ガスの発火点近傍の温度であることが好ましい。本実施形態においては、この所定の温度Ｔａは発火点以上の温度に設定されているものとする。ただし、この所定の温度Ｔａは、燃料電池装置の仕様や、供給する燃料ガスの種類等に応じて、適宜変更可能である。

【0047】

着火状態判定処理部１０ｆは、燃焼領域温度センサ４８の検出結果が、予めＲＡＭに記憶されている所定の温度Ｔｆより大きい場合、燃焼領域である燃料電池セル集合体１２上部に燃焼が生じている状態（着火状態）であると判定し、その判定結果を、着火制御部１０ｇへ出力する。着火状態判定処理部１０ｆからの出力を受けた着火制御部１０ｇは、イグナイタ４２をＯＦＦ状態にする。一方、燃焼領域温度センサ４８の検出結果が、予めＲＡＭに記憶されている所定の温度以下の場合は、着火状態ではないと判定するが、この場合は、特に出力は行わない。

【0048】

次に、本実施形態に係る燃料電池装置１の制御内容について説明する。なお、本実施形態にかかる燃料電池装置１は、起動を開始すると、燃料ガスに着火する燃焼運転、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）を経て、発電運転に移行するものであるが、以下の説明では、本発明の要旨と直接関係のある制御内容のみを取り上げ、その他の制御内容については説明を省略する。

【0049】

図１２は、本実施形態における燃料電池装置１の起動開始から本加熱が完了するまでの制御内容を示すフローチャートである。

【0050】

ステップ１２１は、燃料電池装置１の起動開始のステップであり、起動を開始すると、制御部１０は、発電用空気流量調整ユニット３８により、所定の供給量で発電用空気の燃料電池モジュール２への供給を開始する（Ｓ１２２）。続いて、燃焼領域温度センサ４８の検出温度に基づき、燃焼領域１８が、所定の温度Ｔａよりも小さいか否かの判定を行う（Ｓ１２３）。所定の温度Ｔａ以上である場合（Ｓ１２３でＮＯ）は、ステップ１３１（Ｓ１３１）へ進み、所定の温度Ｔａよりも小さい場合（Ｓ１２３でＹＥＳ）は、燃料流量調整ユニット３４により所定の供給量で燃料ガスの燃料電池モジュール２への供給を開始する（Ｓ１２４）。次に、イグナイタ４２をＯＮ状態にし（Ｓ１２５）、燃料電池セル集合体１２上方へ排出される燃料ガスへの着火を開始する。そして、燃焼領域の温度がＴｆよりも大きいか否かを判定（Ｓ１２６）することにより、燃焼領域１８が、着火状態であるか否かの判定を行う。Ｔｆ以下と判定した場合（つまり、着火状態でないと判定した場合であり、Ｓ１２６でＮＯ）は、判定を繰り返し、Ｔｆよりも大きいと判定した場合（つまり、着火状態である判定した場合であり、Ｓ１２６でＹＥＳ）は、イグナイタ４２をＯＦＦ状態とする（Ｓ１２７）。その後、着火によって生じた燃料電池集合体１２上部の燃焼の燃焼熱による加熱によって、燃焼領域１８の温度が所定の温度Ｔａ以上になったか否かの判定を行う（Ｓ１２８）。燃焼領域１８の温度がＴａより小さい場合（Ｓ１２８でＮＯ）は、判定を繰り返し、Ｔａ以上の場合（Ｓ１２８でＹＥＳ）は、燃料流量調整ユニット３４により燃料ガスの供給を停止する（Ｓ１２９）。（このＳ１２４〜Ｓ１２９までの動作が、予備加熱の一連の動作である。）なお、本実施形態においては、イグナイタ４２をＯＦＦ状態とした（Ｓ１２７）後、燃焼領域１８が所定の温度Ｔａに至ったか否かで燃料ガスの供給停止のタイミングを図っているが、イグナイタをＯＦＦ状態とした後、所定時間が経過したか否かを判定することにより、燃料ガスの供給停止のタイミングを図っても構わない。

【0051】

燃料ガスの供給停止後、制御部１０に内蔵されているタイマの動作を開始し、燃料ガスの供給を停止してからの経過時間を計測する。その後、このタイマの計測した経過時間が、所定時間を越えたか否かの判定を行う（Ｓ１３０）。この所定時間は、燃料電池セル集合体１２上方における燃焼炎が完全に消え、なおかつ、予備加熱時に供給されたものの燃焼に使用されなかった酸化剤ガスおよび燃料ガスが熱交換器２２を介して排出される時間以上になるよう予め設定されている。この所定時間が経過していない場合（Ｓ１３０でＮＯ）は、同一の判定を繰り返し、所定時間が経過している場合（Ｓ１３０でＹＥＳ）は、燃料流量調整ユニット３４により所定の供給量で燃料電池モジュール２へ燃料ガスの供給を開始する（Ｓ１３１）。次に、イグナイタ４２をＯＮ状態にし（Ｓ１３２）、その後、燃焼領域の温度がＴｆよりも大きいか否かを判定（Ｓ１３３）することにより、燃焼領域１８が、着火状態に至ったか否かの判定を行う。Ｔｆ以下であると判定した場合（Ｓ１３３でＮＯ）は、同一の判定を繰り返し、Ｔｆよりも大きいと判定した場合（Ｓ１３３でＹＥＳ）は、イグナイタ４２をＯＦＦ（Ｓ１３４）状態とし、着火動作を終了する。その後、発電室温度センサ１１６の検出温度に基づき推定された燃料電池セル８４の温度が、所定の温度Ｔｂ以上かの判定を行い（Ｓ１３５）、Ｔｂより小さい場合（Ｓ１３５でＮＯ）は、判定を繰り返し、Ｔｂ以上の場合（Ｓ１３５でＹＥＳ）は、本加熱は終了したと判断する。（このＳ１３１〜Ｓ１３６までの制御内容が、本加熱の一連の制御内容である。）

【0052】

このように、起動後、まず、燃焼領域１８において燃焼を生じさせることにより、燃焼領域１８の温度が、燃料ガスの発火点に近付くように予備加熱を行うと、本加熱を行う際に、燃焼領域１８に供給される燃料ガスが、すぐに発火点付近の温度まで温まり、イグナイタ４２により火花を発生させる着火動作時に、燃料電池セルユニット１６先端に生じた燃焼炎が、他の燃料電池セルユニット１６より排出される燃料ガスに引火しやすくなる。したがって、例え冷間起動時であったとしても、火移りが途中で止まってしまうことを防止することができ、火移り性を向上することができる。

【0053】

なお、本実施形態では、燃焼領域１８の加熱手段として、燃料電池装置１の運転に必須の燃料流量調整ユニット３４および発電用空気流量調整ユニット３８およびイグナイタ４２を用いているため、別途、燃焼領域１８を加熱するための熱源や、他の部材等を追加する必要がない。したがって、設備コストを上昇させることなく、容易に着火動作時の火移り性を向上させることができる。

【0054】

以上のように火移り性を向上させることにより、例え冷間起動時であっても、より全ての燃料電池セルユニット１６へ燃焼を生じさせやすくすることができるため、燃料電池セル集合体１２や改質器２０の昇温速度の低下に起因する起動速度の低下を防止することができる。

【0055】

なお、本実施形態においては、燃焼領域温度センサ４８によって、燃焼領域１８の温度を検出しているが、改質器２０や熱交換器２２や発電室６の温度等から検出しても構わない。また、着火状態に至ったか否かの判定は、これらの温度上昇勾配に基づき判定しても構わない。

【符号の説明】

【0056】

１…燃料電池装置
２…燃料電池モジュール
４…補機ユニット
６…発電室
１０…制御部
１２…燃料電池セル集合体
１４…燃料電池セルスタック
１６…燃料電池セルユニット
１８…燃焼領域
２０…改質器
２２…熱交換器
２６…水供給源
２８…純水タンク
３０…水流量調整ユニット
３２…燃料供給源
３４…燃料流量調整ユニット
３６…空気供給源
３８…発電用空気流量調整ユニット
４０…改質用空気流量調整ユニット
４２…イグナイタ
４３…着火プラグ
４３ａ…陽極
４３ｂ…陰極
４８…燃焼領域温度センサ
５６…ケーシング
６０…燃料ガス・改質用空気供給管
６２…水供給管
６６…燃料供給管
６８…燃料ガスタンク
７０…燃焼ガス配管
７２…発電用空気流路
７４…発電用空気導入管
７６…連絡流路
７６ａ…出口ポート
７７…発電用空気供給路
７８ａ、７８ｂ…吹出口
８２…燃焼ガス排出管
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
９２…外側電極層
９４…電解質層
９８…連通流路
９９…排出口
１０８…発電用空気流量検出センサ
１１０…改質用空気流量センサ
１１２…燃料流量センサ
１１４…水流量センサ
１１６…発電室温度センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】