JP5689228B2

JP5689228B2 - 固体酸化物形燃料電池システム

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Publication number: JP5689228B2
Application number: JP2009107246A
Authority: JP
Inventors: 紀彦豊長; 鈴木　隆志; 隆志鈴木; 谷口　英二; 英二谷口; 栄造松井
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Kyocera Corp; Aisin Corp
Current assignee: Kyocera Corp; Aisin Corp
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2029-04-27
Also published as: JP2010257806A

Description

本発明は、熱交換器をもつ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によれば、燃料電池装置から吐出された排ガスは高温であり、外部に放出させるに当たり排ガスを冷却させることが好ましい。このため、排ガスと冷却水とを熱交換させることにより、排ガスを冷却させると共に冷却水を加熱させる熱交換器と、冷却水を熱交換器に搬送させるポンプとが設けられている。更に、熱交換器で加熱された冷却水を温水として溜める貯湯タンクが設けられている。

上記した固体酸化物形燃料電池システムにおいて、熱交換器の出口温度および入口温度を求め、出口温度が入口温度よりも所定温度以上高くなるようにポンプの出力を制御する技術が開示されている（特許文献１）。これにより高温の冷却水を温水として貯湯タンクに溜めることができる。このものによれば、貯湯タンク内の温水が沸騰状態またはそれに近い状態になると、ポンプを停止させることにしている。これにより。貯湯タンク内の温水が沸騰状態またはそれに近い状態になることが抑制される。

特開２００６−２４４３０号公報

上記した技術によれば、運転が停止されている固体酸化物形燃料電池装置を起動させるとき、高温で発電運転する燃料電池装置は、運転を停止させているといえども、余熱を有する。このため、高温のガスが燃料電池装置の内部に残留していることが多い。この場合、燃料電池装置を起動にあたり、空気などが燃料電池装置の内部に供給されると、燃料電池装置の内部に残留している高温の残留ガスが排気通路を介して外部に放出されてしまう。この場合、高温の残留ガスが熱交換器で充分に冷却されず、外気にそのまま放出されるおそれがあり、好ましくない。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池装置を起動させるにあたり、燃料電池に残留していた高温のガスが排気通路を介してそのまま外気に放出されることを抑制させるのに有利な固体酸化物形燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、アノード流体とカソード流体とで発電する固体酸化物形の燃料電池装置と、燃料電池装置から吐出される高温の排ガスを放出させる排気通路と、排気通路に設けられ排気通路を流れる高温の排ガスと冷却水とを熱交換させることにより、排ガスを冷却させると共に冷却水を加熱させる熱交換器と、熱交換器で加熱された冷却水を温水として溜める貯湯タンクと、熱交換器と貯湯タンクとを連通させる連通路と、連通路に設けられ燃料電池装置の発電運転時において駆動し、駆動に伴い連通路の冷却水を熱交換器を介して貯湯タンクに搬送させる水搬送源と、水搬送源の駆動を制御する制御部とを具備しており、制御部は、燃料電池装置を起動させるとき、カソード流体を燃料電池装置に供給させる操作よりも、水搬送源の駆動を開始する操作を時間的に優先させ、水搬送源の駆動の開始により熱交換器における熱交換機能を確保し、その後、燃料原料またはアノード流体を燃料電池装置に供給させる。

固体酸化物形の燃料電池装置においては、運転を停止している燃料電池装置が前回の運転に伴う余熱の影響により、まだ高温であるときがある。この場合、燃料電池装置の内部に高温のガスが残留しているおそれがある。このため運転停止している燃料電池装置を起動させるにあたり、燃料電池装置の内部に残留している高温のガスが排気通路を介して外部に放出されるおそれがあり、好ましくない。このような場合であっても、本発明によれば、燃料電池装置を起動させるとき、制御部は、カソード流体を燃料電池装置に供給させる操作よりも、水搬送源の駆動を開始させる操作を時間的に優先させる。この結果、制御部は、水搬送源の駆動の開始により熱交換器における熱交換機能を確保し、その後、カソード流体（反応流体）を燃料電池装置に供給させて燃料電池装置を発電運転させる。従って、燃料電池装置の内部に残留している高温のガスが排気通路を介して外部に放出されるときであっても、排気通路に設けられている熱交換器における冷却機能および熱交換機能が確保されている。よって、燃料電池装置に残留している高温のガスを排気通路を介して外部に放出させるにあたり、その高温のガスを排気通路の熱交換器により積極的に冷却させることができる。従って、燃料電池装置の起動時に、燃料電池装置に残留していた高温のガスが熱交換器を介して外部に放出されるおそれが低減される。

本発明によれば、燃料電池装置を起動させるとき、燃料電池装置の内部に残留している高温のガスを排気通路を介して外部に放出させるにあたり、そのガスを排気通路の熱交換器により積極的に冷却させることができる。従って、燃料電池装置を起動させるとき、燃料電池装置に残留していた高温のガスが排気通路を介して外部にそのまま放出されるおそれが低減される。

実施形態１に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す図である。実施形態１に係り、制御部が実行するフローチャートである。実施形態１に係り、制御部が実行する他のフローチャートである。実施形態２に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す図である。実施形態２に係り、制御部が実行するフローチャートである。実施形態４に係り、制御部が実行する処理を模式的に示すグラフである。実施形態５に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す図である。実施形態６に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す図である。実施形態６に係り、燃料電池装置を示す図である。

燃料電池装置を起動させるとき、燃料電池装置または熱交換器が高温である場合には、燃料電池装置に残留している高温のガスが熱交換器を介して外部に放出されるおそれがある。そこで好ましい形態によれば、燃料電池装置を起動させるとき、燃料電池装置が第１所定温度Ｔ１以上であるとき、または、熱交換器の温度が第２所定温度Ｔ２以上であるとき、制御部は、水搬送源を駆動させて熱交換器における冷却機能および熱交換機能を優先的に確保し、その後、カソード流体（反応流体）を燃料電池装置に供給させる。これにより燃料電池装置の内部に高温のガスが残留しているときであっても、その高温のガスを熱交換器の熱交換機能により冷却させることができる。カソード流体とは、燃料電池装置のカソードに供給される流体をいい、発電反応に使用される場合の他に、起動運転時や停止運転等のように発電反応に使用されないが、カソードに供給される場合を含む。

好ましい形態によれば、燃料電池装置の発電運転を停止させるとき、水搬送源の駆動を停止させる操作よりも、操作燃料電池装置へのカソード流体を停止させる操作を優先させる。すなわち、操作燃料電池装置へのカソード流体の供給を停止させ、その後、水搬送源の駆動を所定時間継続させて熱交換器における熱交換機能を維持させる。これにより燃料電池装置の発電運転を停止しているにもかかわらず、燃料電池装置から高温のガスが放出されるときであっても、そのガスを熱交換器の熱交換機能により冷却させることができる。

好ましい形態によれば、燃料電池装置の発電運転を停止させるとき、水搬送源の駆動を停止させる操作よりも、操作燃料電池装置への燃料原料またはアノード流体の供給を停止させる操作を優先させる。すなわち、操作燃料電池装置への燃料原料またはアノード流体の供給を停止させ、その後、水搬送源の駆動を所定時間継続させて熱交換器における熱交換機能を維持させる。これにより燃料電池装置の発電運転を停止しているにもかかわらず、燃料電池装置から高温のガスが放出されるときであっても、そのガスを熱交換器の熱交換機能により冷却させることができる。アノード流体とは、燃料電池装置のアノードに供給される流体をいい、発電反応に使用される場合の他に、起動運転時や停止運転等のように発電反応に使用されないが、アノードに供給される場合も含む。

好ましい形態によれば、連通路は、連通路の冷却水が貯湯タンクを迂回する迂回通路と、連通路の冷却水が貯湯タンクを迂回して迂回通路を流れるように作動する迂回バルブとを有する。この場合、制御部は、熱交換器を経た冷却水が沸騰しているときあるいは沸騰するおそれがあるとき、その冷却水が貯湯タンクに供給されることを抑制させると共に迂回通路を流れるように、迂回バルブの開度を制御させることが好ましい。これにより、過剰に高温の冷却水が貯湯タンクに供給されることが抑制される。必要に応じて、迂回通路に放熱用のラジエータを設けることができる。

好ましい形態によれば、連通路の冷却水が貯湯タンクを迂回する迂回通路が設けられ、連通路の冷却水が貯湯タンクを迂回して迂回通路を流れるように作動する迂回バルブが設けられており、制御部は、熱交換器を経た冷却水が所定温度より低いときあるいは冷却水が所定温度より低いおそれがあるとき、その冷却水が貯湯タンクに供給されることを抑制させると共に前記迂回通路を流れるように、迂回バルブの開度を制御させることができる。

（実施形態１）
図１〜図３は実施形態１を示す。図１は固体酸化物形の燃料電池システムの概念を示す。システムは、燃料電池装置１Ａと、燃料電池装置１Ａの出口１Ａｐから図略の筐体の排気口７６に繋がる排気通路７５と、燃料電池装置１Ａに空気をカソードガスとして供給するカソードガスポンプ６２（カソード流体搬送源）をもつカソードガス供給通路６０と、燃料原料を燃料電池装置１Ａに供給する燃料原料ポンプ５５（燃料原料搬送源）をもつ燃料原料供給通路５１と、改質水を燃料電池装置１Ａに供給する改質水ポンプ４２（改質水搬送源）をもつ改質水供給通路４１と、排気通路７５の途中に設けられた熱交換器７４と、温水を溜める貯湯タンク７０と、連通路として機能する循環通路７１と、循環通路７１に設けられた水搬送源として機能する貯湯ポンプ７２とを備えている。排気通路７５には、燃料電池装置１Ａからカソードオフガスおよびアノードオフガスが吐出される。

燃料電池装置１Ａは、断熱壁３０で断熱された発電室３２に設けられた複数の燃料電池で形成されたスタック１と、断熱壁３０で断熱された発電室３２に設けられた改質器２とを有する。改質器２は、改質水を水蒸気化させる蒸発部２０と、燃料原料を水蒸気で改質させてアノードガスを生成させる改質触媒２２０を備えるセラミックス担体を有する改質部２２とを有する。循環通路７１の一端は、貯湯タンク７０の底部の出口７０ｐに連通する。循環通路７１の他端は、貯湯タンク７０の上部の入口７０ｉに連通する。従って貯湯ポンプ７２が駆動すると、貯湯タンク７０の底部付近に存在する相対的に低温の水が熱交換器７４の水通路７４ｗに供給され、貯湯タンク７０の上部の入口７０ｉから貯湯タンク７０に流入する。貯湯タンク７０の上部には、貯湯タンク７０の温水を取り出す温水取出通路７８ａが形成されている。貯湯タンク７０の底部には新水供給通路７９ａ（水道管）および給水バルブ７９ｂが設けられている。貯湯タンク７０の温水が不足するときには、給水バルブ７９ｂが開放され、新水供給通路７９ａから給水される。

熱交換器７４は排気口７５に設けられており、循環通路７１の水が流れる水通路７４ｗと、スタック１からの高温の排ガスが流れるガス通路７４ｇとを有する。水通路７４ｗの冷却水とガス通路７４ｇの排ガスとが互いに熱交換され、排ガスが冷却されると共に冷却水が加熱される。

スタック１の温度を検知するスタック温度センサ１０５がスタック１に設けられている。熱交換器７４の水通路７４ｗの入口には、水通路７４ｗの入口の温度を検知する入口温度センサ２０３が設けられている。熱交換器７４の水通路７４ｗの出口には、水通路７４ｗの出口を流れる冷却水の温度を検知する出口温度センサ２０２が設けられている。スタック温度センサ１０５の温度信号、出口温度センサ２０２の温度信号、入口温度センサ２０３の温度信号がそれぞれ制御部１００に入力される。制御部１０は各ポンプ６２，５５，４２，７２を制御する。

次に、燃料電池装置１Ａを起動させるときについて説明する。燃料電池装置１Ａの発電運転の温度が高いため、燃料電池装置１Ａの発電運転を停止させたとしても、その冷却には長時間を要する。このため発電運転を停止していた燃料電池装置１Ａを起動させるときであっても、燃料電池装置１Ａの内部が余熱により高温であるときがある。そこで制御部１００は、カソードガス（空気）を燃料電池装置１Ａに供給させて発電運転させる操作よりも、貯湯ポンプ７２の駆動を開始する操作を時間的に優先させる。すなわち、制御部１００は、貯湯ポンプ７２の駆動により熱交換器７４における冷却機能および熱交換機能を確保し、その後、燃料原料を燃料電池装置１Ａに供給させて発電する。

図２は制御部１００が実行するフローチャートの一例を示す。フローチャートは図２に限定されるものではない。まず、制御部１００は、当該システムを起動させる起動スイッチ１００ｓがオンされているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。起動スイッチ１００ｓがオンされていれば（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、燃料電池装置１Ａが高温であるか否かを判定する。すなわち、沸騰した冷却水または沸騰に近い状態等といった過剰に高温の冷却水が入口７０ｉから貯湯タンク７０に供給されるおそれがあるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。この場合、具体的には、スタック温度センサ１０５で検知されるスタック温度（燃料電池装置の温度に相当）が第１所定温度Ｔ１以上であるか否かを判定する。スタック温度が第１所定温度Ｔ１（例えば１２０℃が採用できるが、これに限定されない）以上であれば、制御部１００は、過剰に高温の冷却水（沸騰の可能性あり）が貯湯タンク７０に流入するおそれがあると判定する（ステップＳ１０４のＹＥＳ）。ステップＳ１０４は、過剰に高温の冷却水が貯湯タンク７０に流入するか否かを判定する判定手段として機能する。

また、ステップＳ１０４において、スタック温度センサ１０５で検知されるスタック温度が第１所定温度Ｔ１以上であるか、または、熱交換器７４の出口温度センサ２０２が第２所定温度Ｔ２よりも高温であるか否かを判定し、いずれかが成立するときステップＳ１０４においてＹＥＳとすることにしても良い。出口温度センサ２０２の温度が第２所定温度Ｔ２よりも高温であれば、沸騰した冷却水または沸騰に近い状態の冷却水といった過剰に高温の冷却水が入口７０ｉから貯湯タンク７０に流入するおそれがあるためである。

スタック温度または熱交換器７４の温度が高温であれば（ステップＳ１０４のＹＥＳ）、次に、制御部１００は、燃料電池装置１の起動操作よりも、貯湯ポンプ７２の駆動の開始を優先させる（ステップＳ１０６）。これにより貯湯ポンプ７２が駆動し、貯湯タンク７０の水を出口７０ｐから循環通路７１、熱交換器７４の水通路７４ｗに流し、入口７０ｉから貯湯タンク７０に戻す。このように貯湯タンク７０の底部付近の水を循環通路７１を介して入口７０ｉから貯湯タンク７０に戻す。このように貯湯タンク７０の水を循環通路７１において循環させる。この場合、スタック温度センサ１０５または出口温度センサ２０２の温度が相対的に高温であれば、排気通路７５を流れる排ガスの温度が過剰に高温であるおそれがあるため、貯湯ポンプ７２の単位時間当たり回転数（出力）を増加させ、熱交換器７４の冷却機能および熱交換機能を高めることが好ましい。またスタック温度センサ１０５および出口温度センサ２０２の温度が相対的に低温であれば、排ガスの温度が過剰に高温ではないため、貯湯ポンプ７２の単位時間当たり回転数を減少させることができる。このようにスタック温度センサ１０５または出口温度センサ２０２の温度に基づいて、貯湯ポンプ７２の単位時間当たり回転数を設定させることが好ましい。

循環通路７１における水の流れが安定するように、制御部１００は第１所定時間ｔ１待機する（ステップＳ１０８）。次に、制御部１００はカソードガスポンプ６２の駆動を開始し、カソードガスとして空気をカソードガス供給通路６０から燃料電池装置１Ａに供給する（ステップＳ１１０）。この結果、燃料電池装置１Ａの発電室３２の内部に残留している高温のガスを、空気により排気通路７５に向けて押し出し、熱交換器７４のガス通路７４ｇを介して排気口７６から外部に放出させる。燃料電池装置１Ａの内部に残留しているガスを排気通路７５および熱交換器７４のガス通路７４ｇを介して外部に放出させる時間をかせぐべく、制御部１００は第２所定時間ｔ２待機する（ステップＳ１１２）。その後、第２所定時間ｔ２経過すると、制御部１００は着火源をオンさせる（ステップＳ１１４）。次に燃料原料を燃料電池装置１Ａに供給して着火させる（ステップＳ１１６）。着火しているか否かの読込を行う（ステップＳ１１８）。このように燃料原料を燃料電池装置１Ａに供給させれば、燃料電池装置１Ａの内部において燃料原料が着火されて空気で燃焼し、燃焼火炎２４が燃焼用空間２３で形成される。燃焼火炎２４により改質器２の蒸発部２０および改質部２２が高温に加熱される。着火が確認された後（ステップＳ１２０のＹＥＳ）、第４所定時間ｔ４待機する（ステップＳ１２２）。これにより改質器２が高温に加熱されて水蒸気生成温度以上に昇温される。その後、制御部１００は改質水ポンプ４２の駆動を開始し、改質水供給通路４１から改質水を改質器２の蒸発部２０に供給する（ステップＳ１２４）。これにより蒸発部２０において水蒸気が生成される。生成された水蒸気は改質部２２に供給され、改質部２２において燃料原料が水蒸気改質される。これにより水素を主要成分とするアノードガスが改質部２２において生成される。制御部１００は、発電準備完了を確認した後（ステップＳ１２６のＹＥＳ）、発電開始指令を出力する（ステップＳ１２８）。このため生成されたアノードガスはアノードガス通路１４を介してスタック１に供給される。このとき、カソードガスポンプ６２の駆動が継続しているため、空気がカソードガスとしてカソードガス供給通路６０から燃料電池装置１Ａに供給されており、これによりスタック１は発電する。

本実施形態によれば、燃料電池装置１Ａの発電室３２において燃焼される燃焼火炎２４の排ガスは、排気通路７５から熱交換器７４のガス通路７４ｇを経て外部に放出される。排ガスが熱交換器７４のガス通路７４ｇを流れるとき、排ガスは、熱交換器７４の水通路７４ｗを流れる冷却水と熱交換される。よって排気通路７５の排ガスが冷却されて外部に放出されると共に、冷却水が加熱される。加熱された温水は、熱交換器７４の出口を経て入口７０ｉから貯湯タンク７０に戻る。このようにして温水の熱エネルギが貯湯タンク７０に貯蔵される。このように燃料電池装置１Ａが発電運転しているとき、排ガスが排気通路７５を介して継続して排出されるため、貯湯ポンプ７２は継続して駆動して、貯湯タンク７０の水を循環通路７１において循環させており、燃料電池装置１Ａから排気通路７５を流れる高温の排ガスを熱交換器７４で冷却させた後、外部に放出させている。なお、燃料電池装置１Ａが発電運転しているとき、スタック１の温度は４００℃以上、５００℃以上、６００℃以上となる。

以上説明したように本実施形態によれば、燃料電池装置１Ａを起動させるとき、カソードに供給されるカソード流体として機能するカソードガス（空気）を燃料電池装置１Ａに供給させて発電させる操作よりも、貯湯ポンプ７２の駆動を開始させる操作を時間的に優先させる。すなわち、制御部１００は、まず、貯湯ポンプ７２の駆動により熱交換器７４における冷却機能および熱交換機能を優先的に確保し、その後、カソードガス（空気）を燃料電池装置１Ａに供給させて発電させる。また、運転が停止されていたスタック１を起動させるときには、スタック１の余熱の影響で、スタック１がかなり高温であるときがある。殊に、スタック１は断熱壁３０で断熱されているため、スタック１の冷却には長時間かかるためである。この場合、起動時において空気が燃料電池装置１Ａに供給されると、燃料電池装置１Ａのスタック１に残留されていた高温の排ガスが熱交換器７４のガス通路７４ｇを経て外部にそのまま放出されるおそれがあり、好ましくない。このような場合であっても、本実施形態によれば、燃料電池装置１Ａを起動させるとき、制御部１００は、カソードガス（カソード流体）を燃料電池装置１Ａに供給させて燃料電池装置１Ａを起動させる操作よりも、貯湯ポンプ７２の駆動を開始させる操作を時間的に優先させている。すなわち、制御部１００は、まず、貯湯ポンプ７２の駆動により熱交換器７４における冷却機能および熱交換機能を確保し、その後、燃料原料ポンプ５５を駆動させ、燃料原料を燃料電池装置１Ａに供給させて燃料電池装置１Ａを起動させる。このため、余熱をもつスタック１からの高温の排ガスが熱交換器７４のガス通路７４ｇを経て外部に放出されるときであっても、その排ガスを熱交換器７４の水通路７４ｗを流れる冷却水により効果的に冷却させることができる。

ところでスタック１が発電運転しているときには、スタック１の温度は４００℃以上、５００℃以上、６００℃以上の高温になるため、排気通路７５を熱交換器７４に向けて流れる排ガスも高温である。熱交換器７４の出口温度センサ２０２の温度が所定温度Ｔ６（例えば９０℃）以上であるときには、熱交換器７４の出口側において冷却水が沸騰するおそれがある。この場合、沸騰した水、または、沸騰に近い状態の水が入口７０ｉから貯湯タンク７０に供給されるおそれがある。沸騰した冷却水が貯湯タンク７０に供給されることは、好ましくないため、システムを停止させることが好ましい。

図３は、燃料電池装置１Ａの発電を停止するとき、制御部１００が実行するフローチャートの一例を示す。制御部１００は、燃料電池装置１Ａの発電運転を停止させるか否か判定する（ステップＳ２０２）。発電運転を停止させるときには、発電運転を停止させる指令を出力する（ステップＳ２０４）。そして、制御部１００は、スタックを冷却させる（ステップＳ２０５）。具体的には燃料原料と改質水の流量を減少させ、且つ、冷却ガスとして機能するカソードガスの供給量を増加させる。そして、スタック温度が所定温度（例えば４００℃）以下に冷却されたら、制御部１００は、燃料原料ポンプ５５を停止させて燃料原料を燃料電池装置１Ａに供給させる燃料原料供給操作を停止させる。且つ、改質水ポンプ４２を停止させて改質水を燃料電池装置１Ａに供給する改質水供給操作を停止させる（ステップＳ２０６）。次に、スタック温度が所定温度（例えば１５０℃）以下になったら、カソードガスポンプ６２を停止させ、カソードガス供給操作、つまり、カソードガスとしての空気を燃料電池装置１Ａに供給させることを停止させる（ステップＳ２０８）。

上記したように改質水供給操作などの各操作を停止させて燃料電池装置１Ａの発電運転を停止させた後であっても、スタック１を冷却するために、冷却流体として機能するカソードガス（空気）の供給を継続させる（ステップＳ２０５）。このため、燃料電池装置１Ａに残留している高温のガスが排気通路７５を介して外部に放出される。また、液相の改質水が蒸発部２０に残留しているときには、余熱により改質水が水蒸気化し、水蒸気を含む高温のガスが排気通路７５を介して継続的に外部に放出されるおそれがあり、好ましくない。

そこで本実施形態によれば、上記したように改質水供給操作等の操作を停止させて燃料電池装置１Ａの発電運転を停止させる停止指令が出力された後であっても、冷却ガスとして機能するカソードガス（空気）を供給している間、貯湯ポンプ７２の駆動を継続させる。これにより貯湯タンク７０の水を冷却水として熱交換器７４の水通路７４ｗに供給させる操作を継続させ、熱交換器７４の冷却機能及び熱交換機能が継続して確保されている。このため、燃料電池装置１Ａから排気通路７５を介して外部に放出される高温のガスが熱交換器７４の冷却水で積極的に冷却される。

上記したカソードガスの供給操作を停止させた後、制御部１００は、貯湯ポンプ７２の駆動を停止させ（ステップＳ２１０）、冷却水を熱交換器７４の水通路７４ｗに供給させる操作を停止させる。

本実施形態によれば、図１に示すように、排気通路７５において、熱交換器７４のガス通路７４ｇの下流には凝縮水通路７７が分岐部７７ｍから分岐されている。凝縮水通路７７は、イオン交換樹脂等の水精製材４０ａをもつ水精製器４０に向けて分岐されている。従って、熱交換器７４のガス通路７４ｇを流れる排ガスに含まれている気相状の水分は、熱交換器７４において水通路７４ｇを流れる水により冷却されて液相状の凝縮水を生成する。凝縮水は重力により凝縮水通路７７から水精製器４０に供給されて水精製材４０ａで精製され、給水タンク４４に溜められる。給水タンク４４に溜められている水は改質水として使用される。なお本実施形態によれば、熱交換器７４の内部温度を除けば、熱交換器７４の沸騰場所に一番近いのが熱交換器７４の出口温度である。更に温度センサの取付けやすさ、温度センサの取り替えやすさなどのため、熱交換器７４の出口温度を採用している。

（実施形態２）
図４および図５は実施形態２を示す。図４は固体酸化物形の固体酸化物形燃料電池システムの概念を示す。図４に示すように、循環通路７１は、循環通路７１の冷却水が貯湯タンク７０を迂回する迂回通路７１５と、循環通路７１の冷却水が貯湯タンク７０を迂回して迂回通路７１５を流れるように作動する迂回バルブ７１７とを有する。迂回バルブ７１７は循環通路７１において貯湯タンク７０の上流に設けられており、熱交換器７４の水通路７４ｗに連通する第１ポート７１７ｆと、貯湯タンク７０の入口７０ｉに連通する第２ポート７１７ｓと、迂回通路７１５に連通する第３ポート７１７ｔとを有する。迂回通路７１５を流れる冷却水の温度を検知する迂回温度センサ２０５が迂回通路７１５に設けられている。

図４に示すように、熱交換器７４の水通路７４ｗの入口には、水通路７４ｗの入口の温度を検知する入口温度センサ２０３が設けられている。熱交換器７４の水通路７４ｗの出口には、水通路７４ｗの出口を流れる冷却水の温度を検知する出口温度センサ２０２が設けられている。スタック温度センサ１０５の温度信号、出口温度センサ２０２の温度信号、入口温度センサ２０３の温度信号、迂回温度センサ２０５の温度信号がそれぞれ制御部１００に入力される。

本実施形態においても、実施形態１と同様に、運転が停止されていた燃料電池装置１Ａを起動させるとき、燃料電池装置１Ａから高温の排ガスが放出されるおそれがあるため、制御部１００は、カソードガスを燃料電池装置１Ａに供給させる操作よりも、貯湯ポンプ７２を駆動させる操作を時間的に優先させる。すなわち、燃料電池装置１Ａを起動させるにあたり、制御部１００は、まず、貯湯ポンプ７２の駆動により熱交換の水通路７４ｗに冷却水を供給させ、熱交換器７４における冷却機能および熱交換機能を優先的に確保し、その後、カソードガスを燃料電池装置１Ａに供給させて発電を行う。

発電運転が停止されていたスタック１を起動させるとき、スタック１が常温である場合もあるし、スタック１の余熱の影響でスタック１がかなり高温である場合が多い。殊に、前回の運転停止から長時間が経過していないときには、スタック１は断熱壁３０で断熱されているため、スタック１の余熱の影響でスタック１がかなり高温である場合が多い。スタック１の冷却に長時間かかるためである。この場合、カソードガスポンプ６２の起動に伴い空気が燃料電池装置１Ａに供給されると、燃料電池装置１Ａに残留している高温の排ガスが排気通路７５、熱交換器７４のガス通路７４ｇを経て排気口７６から外部に放出されるおそれがあり、好ましくない。

このような場合であっても、本実施形態によれば、燃料電池装置１Ａの発電運転を起動させるとき、制御部１００は、カソードガスを燃料電池装置１Ａに供給させる操作よりも、貯湯ポンプ７２の駆動を開始させる操作を時間的に優先させる。このため、余熱をもつスタック１からの高温の排ガスが熱交換器７４のガス通路７４ｇを経て外部に放出されるときであっても、その排ガスを熱交換器７４の水通路７４ｗを流れる冷却水により効果的に冷却させることができる。

図５は、制御部１００が実行するフローチャートの一例を示す。フローチャートはこれに限定されるものではない。まず、制御部１００はスタック１の温度を読み込む（ステップＳ３０２）。前回の運転停止から長い時間が経過しているときには、スタック１の温度が第１所定温度Ｔ１未満となる。スタック１の温度が第１所定温度Ｔ１以上であるときには、熱交換器７４で循環通路７１の水が加熱される程度が高い。スタック１の温度が第１所定温度Ｔ１未満であるときには、熱交換器７４で循環通路７１の水が加熱される程度が低い。

このようにスタック１の温度が低いとき（ステップＳ３０４のＮＯ）には、沸騰水または沸騰に近い状態の水が貯湯タンク７０に供給されるおそれがないため、メインルーチンにリターンする。これに対して、スタック１の温度が第１所定温度Ｔ１以上であるときには（ステップＳ３０４のＹＥＳ）、沸騰水または沸騰に近いといった過剰に高温の水が貯湯タンク７０に供給されるおそれがある。そこで、入口温度センサ２０３よりも高温となり易い出口温度センサ２０２の温度を読み込む（ステップＳ３０６）。熱交換器７４の温度を示す出口温度センサ２０２の温度が第２所定温度Ｔ２以上であれば（ステップＳ３０８のＹＥＳ）、沸騰水または沸騰に近いといった過剰に高温の冷却水が入口７０ｉから貯湯タンク７０に供給されるおそれがある。このため、制御部１００は迂回バルブ７１７を制御して迂回通路７１５側に切り替える（ステップＳ３１０）。すなわち、制御部１００は、迂回バルブ７１７の第１ポート７１７ｆと第３ポート７１７ｔとを連通させると共に、第２ポート７１７ｓを閉鎖する。更に、制御部１００は、スタック１の再起動を禁止させる信号を出力する（ステップＳ３１２）。起動に伴い、沸騰水または沸騰に近い状態の水が貯湯タンク７０に供給されるおそれがあるためである。

上記したように燃料電池装置１Ａの起動を禁止した状態で、制御部１００は、貯湯ポンプ７２の駆動を開始させる（ステップＳ３１４）。上記したように迂回バルブ７１７の第１ポート７１７ｆおよび第３ポート７１７ｔが連通するように、迂回バルブ７１７が制御されている。この状態で貯湯ポンプ７２が駆動すると、循環通路７１の水は、貯湯ポンプ７２、熱交換器７４の水通路７４ｗ、迂回バルブ７１７の第１ポート７１７ｆおよび第３ポート７１７ｔを流れ、ひいては迂回通路７１５を流れる。このように循環通路７１の水が循環通路７１を流れ続けると、循環通路７１の水が配管からの放熱により次第に冷却される。この場合、熱交換器７４で加熱された冷却水は、入口７０ｉから貯湯タンク７０には供給されない。このため沸騰した水、または、沸騰に近い状態の水が貯湯タンク７０に供給されることが未然に防止され、安全性を高め得る。

次に、出口温度センサ２０２の温度、入口温度センサ２０３の温度、迂回温度センサ２０４の温度を読み込む温度読込操作を実施する（ステップＳ３１６）。出口温度センサ２０２の温度、入口温度センサ２０３の温度、迂回温度センサ２０４の温度がそれぞれ、第２所定温度Ｔ２未満であれば（ステップＳ３１８のＹＥＳ）、ステップＳ３２０に進む。そして、制御部１００は、熱交換器７４の出口側に設けられている出口温度センサ２０２の温度が所定温度Ｔ７（例えば３０℃）未満であるか否か、すなわち、過剰に低温である否かを判定する（ステップＳ３２０）。出口温度センサ２０２の温度が過剰に低温であれば（ステップＳ３２０のＹＥＳ）、過剰に低温の冷却水が貯湯タンク７０に供給され、貯湯タンク７０の温水が過剰に低温となるおそれがある。このため制御部１００は迂回バルブ７１７を迂回通路７１５側に切り替え、迂回バルブ７１７の第１ポート７１７ｆと第３ポート７１７ｔとを連通させると共に、第２ポート７１７ｓを閉鎖する（ステップＳ３５０）。これにより過剰の低温の水が貯湯タンク７０に供給されることが抑制される。これにより貯湯タンク７０の温水温度が適温域に維持される。

出口温度センサ２０２の温度、入口温度センサ２０３の温度、迂回温度センサ２０４の温度が過剰に高温でもなく、過剰に低温でもなければ（ステップＳ３２０のＮＯ）、制御部１００は、循環通路７１の水が沸騰しておらず且つ過剰に低温でもないと判定する。このため熱交換器７４の水通路７４ｗから吐出される水を入口７０ｉから貯湯タンク７０に供給させるべく、制御部１００は、迂回バルブ７１７を貯湯タンク７０側に切り替え、迂回バルブ７１７の第１ポート７１７ｆと第２ポート７１７ｓとを連通させると共に、第３ポート７１７ｔを閉鎖させるか、第３ポート７１７ｔの開口を小さくさせるように切り替える（ステップＳ３２２）。更に、制御部１００は、所定時間ｔ９待機（ステップＳ３２４）した後に、貯湯ポンプ７２を停止させ（ステップＳ３２６）、スタック１の起動を許可させる起動許可信号を出力する（ステップＳ３２８）。ステップＳ３２６において、貯湯ポンプ７２を停止させているが、これに限らず、貯湯ポンプ７２の出力を低下させるだけでも良い。なお、ステップＳ３２６において貯湯ポンプ７２を停止させる信号が出力されるものの、燃料電池装置１Ａが実際に起動されれば、燃料電池装置１Ａから排気ガスが排気通路７５を流れるため、貯湯ポンプ７２は駆動され、熱交換器７４の冷却機能および熱交換機能は維持される。上記したようにスタック１の起動を許可させる信号が出力されると、燃料電池装置１Ａは発電運転可能な状態となる。上記したフローチャートでは、ステップＳ３１６において、出口温度センサ２０２の温度、入口温度センサ２０３の温度、迂回温度センサ２０４の温度をそれぞれ読み込むことにしているが、これに限らず、出口温度センサ２０２の温度のみとしても良い。入口温度センサ２０３の温度のみとしても良い。

以上説明したように本実施形態によれば、前記した実施形態と同様に、燃料電池装置１Ａを起動させるとき、カソードガスを燃料電池装置１Ａに供給させる操作（ステップＳ３２８に相当）よりも、貯湯ポンプ７２の駆動を開始させる操作（ステップＳ３１４に相当）を時間的に優先させる。すなわち、制御部１００は、まず、貯湯ポンプ７２の駆動により熱交換器７４における冷却機能および熱交換機能を確保し、その後、カソードガス、更には燃料原料（アノード流体）を燃料電池装置１Ａに供給させて発電させる。

前述したように運転が停止されていたスタック１を起動させるときには、実施形態１と同様に、スタック１の余熱の影響で、スタック１がかなり高温であるときがある。殊に、スタック１は断熱壁３０で断熱されているため、スタック１の冷却には長時間かかるためである。このような場合であっても、本実施形態によれば、燃料電池装置１Ａを起動させるとき、制御部１００は、燃料原料を燃料電池装置１Ａに供給させて燃料電池装置１Ａを起動させることを禁止（ステップＳ３１２に相当）した後に、貯湯ポンプ７２の駆動を開始させる。すなわち、制御部１００は、まず、貯湯ポンプ７２の駆動により熱交換器７４における冷却機能および熱交換機能を優先的に確保し、その後、燃料原料を燃料電池装置１Ａに供給させて燃料電池装置１Ａを起動させる。このため、余熱をもつスタック１からの高温の排ガスが熱交換器７４のガス通路７４ｇを経て外部に放出されるときであっても、その排ガスを熱交換器７４の水通路７４ｗを流れる冷却水により効果的に冷却させることができる。

更に本実施形態によれば、前述したように、熱交換器７４の水通路７４ｗの出口温度が過剰に高温である場合、および、循環通路７１の温度が過剰に低温である場合には、循環通路７１の水を貯湯タンク７０に流入させないで、循環通路７１および迂回通路７１５を循環させることにしている。このため循環通路７１を流れる過剰高温の水、循環通路７１を流れる過剰低温の水が貯湯タンク７０に流入することが抑制されている。従って貯湯タンク７０に溜められている水が過剰に高温となったり、過剰に低温となったりすることが抑制され、貯湯タンク７０に溜められている水の適温化に貢献できる。

迂回通路７１５の効果としては、低温の水が貯湯タンク７０へ流入することを防止することと、沸騰水が貯湯タンク７０へ流入することを防止することが挙げられる。

ところでシステムの起動時において、カソードガスが燃料電池装置１Ａに流れていないときには、循環通路７１の冷却水を加熱させる主要熱源は、熱交換器７４の熱容量である。このときポンプ７２により貯湯水を流すと、十分に加熱されない低温の貯湯水が貯湯タンク７０に戻るおそれがある。このため起動時においては、熱交換器７４の出口温度が所定温度（例えば６０℃）以上になるまで、水が貯湯タンク７０を流入しないように迂回通路７１５に流れ、貯湯タンク７０を迂回させることが好ましい。所定温度は、貯湯タンク７０の水が適温域となり得る温度として、システムに応じて設定される。この場合、熱交換器７４の所定温度を基準とする制御に代えて、システムの起動開始時刻などの基準時刻から経過した所定時間を基準とすることもできる。所定時間は、熱交換器７４の出口温度が安定するまでの時間に相当し、システムに応じて定まる。

また、システムの起動運転時、定常運転時、停止運転時のうちのいずれにおいても、熱交換器７４の出口温度が所定温度（例えば９５℃と高温）以上の場合に、過剰に高温の水が貯湯タンク７０に流入しないように、過剰に高温の水が迂回通路７１５に流れ、貯湯タンク７０を迂回することも好ましい。更に熱交換器７４の出口温度が所定温度（例えば６０℃）以下の場合においても、その水が貯湯タンク７０に流入しないように迂回通路７１５に流れ、貯湯タンク７０を迂回させることも好ましい。水の温度が過剰に高すぎる場合には、迂回通路７１５上にファン付きラジエータ（図略）を設けて、そのファンを回転させてもよい。

（実施形態３）
本実施形態は、実施形態２と基本的には共通する構成および共通する作用効果を有するため、図４および図５を準用する。ここで、迂回バルブ７１７が迂回通路７１５に水を流すものの貯湯タンク７０に流さない迂回形態において、貯湯ポンプ７２の単位時間あたりの回転数をＮｂとする。迂回バルブ７１７が迂回通路７１５に水を流さないものの貯湯タンク７０に流すタンク形態において、貯湯ポンプ７２の単位時間あたりの回転数をＮｔとする。本実施形態によれば、Ｎｂ＝Ｎｔ、Ｎｂ≒Ｎｔ、Ｎｂ＞Ｎｔ、Ｎｂ＜Ｎｔにできる。

Ｎｂ＞Ｎｔの場合には、迂回通路７１５に流れる単位時間あたりの水量が増加する。このため、水が循環通路７１を流れるときにおける熱交換器７４の冷却能および熱交換機能を高めることができる。これに対して、Ｎｂ＜Ｎｔの場合には、貯湯ポンプ７２の駆動により迂回通路７１５に流れる単位時間あたりの水量が抑制されている。このため、貯湯ポンプ７２のエネルギが節約されるものの、水が循環通路７１を流れるときにおける熱交換器７４の冷却能および熱交換機能が抑制されている。

（実施形態４）
図６は実施形態４を示す。本実施形態は、実施形態２と基本的には共通する構成および共通する作用効果を有する。燃料電池装置１Ａを起動させる前においては、燃料電池装置１Ａが余熱をもつのか、もたないのか、あるいは、余熱が存在するとしても、余熱の程度は必ずしも明確でないときがある。さらには、温度センサが予期しない事情により損傷しているときがある。

そこで、本実施形態によれば、燃料電池装置１Ａの起動を開始させる指令が時刻ｔｘにおいて出力されると、制御部１００は、燃料電池装置１の発電運転に先立ち、貯湯ポンプ７２の初期操作を実行する。初期操作では、出口温度センサ２０２の検知温度またはスタック温度センサ１０５の検知温度にかかわらず、制御部１００は、迂回バルブ７１７を迂回通路７１５側に優先的に切り替え、第２ポート７１７ｓを閉鎖させる。この状態で、出口温度センサ２０２の検知温度またはスタック温度センサ１０５の検知温度にかかわらず、制御部１００は、図６に示すように、時刻ｔａにおいて、制御部１００は、貯湯ポンプ７２の単位時間あたりの回転数をＮhigh（貯湯ポンプ７２の最大回転数に近い状態）に増加させた状態で所定時間ｔｃぶん貯湯ポンプ７２を駆動させる。貯湯ポンプ７２の回転数が高いので、循環通路７１を流れる水量が増加し、熱交換器７４の冷却機能および熱交換器機能が高められている。

故に、起動開始にあたり、燃料電池装置１Ａに残留している排ガスの温度が万一、高温であるときであっても、その排ガスを熱交換器７４の水通路７４ｗの水で効果的に冷却できる。更に、貯湯ポンプ７２の回転初期では、貯湯ポンプ７２の回転数Ｎhighであり高いため、循環通路７１を流れる単位時間あたりの水量が増加し、その結果、熱交換器７４の冷却機能および熱交換器機能が高められており、沸騰水の発生を効果的に抑制させることができ、沸騰水が貯湯タンク７０に流入されることが抑制される。

なお、所定時間ｔｃ経過した時刻ｔｄにおいて、制御部１００は、貯湯ポンプ７２の単位時間あたりの回転数をＮnormalに低下させた状態で貯湯ポンプ７２を駆動させると共に、カソードガスポンプ６２を駆動させて空気を燃料電池装置１Ａの内部に供給させる。回数数Ｎnormalは、出口温度センサ２０２の検知温度またはスタック温度センサ１０５の検知温度にほぼ比例するような回転数とされており、初期の回転数Ｎhighよりも低い回転数とされている。これにより貯湯ポンプ７２の駆動負荷が低減されている。所定時間ｔｃはシステムに応じて設定される。

上記した初期操作が終了すれば、出口温度センサ２０２の検知温度が第２所定温度Ｔ２未満、または、スタック温度センサ１０５の検知温度が第１所定温度Ｔ１未満となり、且つ、過剰に低温でなければ、制御部１００は、迂回バルブ７１７を貯湯タンク７０側に切り替える。すなわち、制御部１００は、第１ポート７１７ｆと第２ポート７１７ｓとを連通させると共に、第３ポート７１７ｔを閉鎖するか開口面積を小さくさせる。これにより熱交換器７４で排ガスにより加熱された水が温水として貯湯タンク７０に供給される。

ところでシステムの起動時において、カソードガスが燃料電池装置１Ａに流れていないときには、燃料電池装置１Ａの高温の排ガスが熱交換器７４に流れないため、循環通路７１の冷却水を加熱させる主要熱源は、熱交換器７４の熱容量である。このとき熱交換器７４の温度はさほど高くない。よって、ポンプ７２により循環通路７１の水を循環させると、十分に加熱されない低温の水が貯湯タンク７０に戻るおそれがある。このためシステムの起動時においては、起動開始から、熱交換器７４の出口温度が所定温度（例えば６０℃）以上になるまで、迂回バルブ７１７が制御され、循環通路７１の水が貯湯タンク７０に流入しないように迂回通路７１５に流れ、貯湯タンク７０を迂回することが好ましい。貯湯タンク７０の水温が適温に維持される。この場合、制御部１００は、熱交換器７４の温度を基準とする制御に代えて、システムの起動開始時刻などの基準時刻から経過した所定時間を基準とすることもできる。所定時間は、熱交換器７４の出口温度が安定するまでの時間に相当し、システムに応じて定まる。

（実施形態５）
図７は実施形態５を示す。本実施形態は図４および図５に示す実施形態と基本的には共通する構成および共通する作用効果をもつ。但し、循環通路７１の迂回通路７１５には、放熱作用を有するラジエータ７８０が設けられている。ラジエータ７８０は冷却ファン付きが好ましく、放熱フィン付きも好ましいが、冷却ファン無しの放熱フィン付きでも良い。

運転が停止されていたスタック１を起動させるとき、スタック１の余熱の影響で、燃料電池装置１Ａの内部に高温のガスが残留している場合が多い。殊に、前回の運転停止から長時間が経過していないときには、スタック１は断熱壁３０で断熱されているため、余熱の影響で高温のガスが残留している場合が多い。この場合、燃料電池装置１Ａを起動させるに伴い、カソードガスポンプ６２が駆動して空気が燃料電池装置１Ａに供給されると、燃料電池装置１Ａの内部に残留している高温の排ガスが熱交換器７４のガス通路７４ｇを経て排気口７６から外部に放出されるおそれがあり、好ましくない。このような場合であっても、本実施形態によれば、燃料電池装置１Ａの発電運転を起動させるとき、制御部１００は、カソードガスポンプ６２を起動させて、カソードガスとしての空気を燃料電池装置１Ａに供給させる操作よりも、且つ、燃料原料ポンプ５５を駆動させて燃料原料を燃料電池装置１Ａに供給させる操作よりも、貯湯ポンプ７２の駆動を開始させる操作を時間的に優先させ、循環通路７１の水を熱交換器７４の水通路７４ｗを介して循環させる。このため、余熱をもつ燃料電池装置１Ａから高温のガスが熱交換器７４のガス通路７４ｇを経て外部に放出されるときであっても、その排ガスを熱交換器７４の水通路７４ｗを流れる冷却水により効果的に冷却させることができる。

この場合、燃料電池装置１Ａの温度（すなわち、スタック温度センサ１５０が検知する温度）が第１所定温度Ｔ１以上であるとき、あるいは、熱交換器７４の温度（すなわち、出口温度センサ２０２が検知する温度）が第２所定温度Ｔ２以上であるときには、沸騰水のような過剰に高温の冷却水が貯湯タンク７０に入口７０ｉから流入するおそれがある。そこで制御部１００は迂回バルブ７１７を迂回通路７１５側に切り替える。従って、迂回バルブ７１７の第１ポート７１７ｆと第３ポート７１７ｔとが連通されると共に、第２ポート７１７ｓが閉鎖される。これにより循環通路７１の水が迂回通路７１５およびラジエータ７８０に流れ、放熱される。特に、ラジエータ７８０は放熱作用が強いため、沸騰水の低温化に貢献できると共に、沸騰水が貯湯タンク７０に流入することが抑制される。

この場合、出口温度センサ２０２が検知する温度が第２所定温度Ｔ２未満に低下すれば、その温度が過剰に低温でない限り、制御部１００は、迂回バルブ７１７を貯湯タンク７０側に切り替え、迂回バルブ７１７の第１ポート７１７ｆと第２ポート７１７ｓとを連通させることにより、循環通路７１の水を入口７０ｉから貯湯タンク７０に流入させても良い。

なお、燃料電池装置１Ａの温度（すなわち、スタック温度センサ１５０が検知する温度）が第１所定温度Ｔ１未満であるとき、あるいは、熱交換器７４の温度（すなわち、出口温度センサ２０２が検知する温度）が第２所定温度Ｔ２未満であるときには、燃料電池７４において沸騰水が発生するおそれがない。この場合、出口温度センサ２０２が検知する温度が過剰に低温でなければ、制御部１００は迂回バルブ７１７を貯湯タンク７０側に切り替え、循環通路７１の水を貯湯タンク７０に流入させる。

このように本実施形態によれば、循環通路７１において沸騰水または沸騰に近いといった過剰に高温の冷却水が熱交換器７４により生成されるときであっても、その冷却水を迂回通路７１５およびラジエータ７８０を繰り返して循環させれば、その水は冷却される。この場合、出口温度センサ２０２が検知する温度が第２所定温度Ｔ２未満になり、且つ、過剰に低温でなければ、その水は温水として貯湯タンク７０に流入される。

また、システムの起動運転時、定常運転時、停止運転時のうちのいずれかにおいても、熱交換器７４の出口温度が所定温度（例えば９５℃と高温）以上と高温である場合には、循環通路７１に存在する過剰に高温の水が貯湯タンク７０に流入しないように迂回通路７１５に流れ、貯湯タンク７０をできるだけ迂回することが好ましい。また、熱交換器７４の出口温度が所定温度（例えば６０℃）以下と低めの場合においても、その水が貯湯タンク７０に流入しないように迂回通路７１５に流れ、貯湯タンク７０を迂回することが好ましい。これにより貯湯タンク７０の水温が適温に維持される。

（実施形態６）
図８および図９は実施形態６を示す。本実施形態は図１に示す実施形態と基本的には共通する構成および共通する作用効果をもつ。図９はスタック１付近を示す。図８に模式的に示すように、固体酸化物形燃料電池システムにおいて搭載されているスタック１は、燃料電池モジュール３の発電室３２において、カソードガスが通過できる通路３２ｒを形成するように複数の燃料電池１０をアノードガスマニホルド１３上に並設して形成されている。燃料電池１０は、アノードガスが供給される燃料極として機能するアノード１１と、カソードガスが供給される酸化剤極として機能するカソード１２と、アノード１１およびカソード１２で挟まれた固体酸化物を母材とする膜状の電解質１５とを有する。アノード１１にアノードガスを供給させる通路１１ｒをもつ導電部１１ｘがアノード１１に隣設されている。ガス不透過性をもつ緻密な材料で形成された集電コネクタ１６が導電部１１ｘに隣設されている。

電解質１５を構成する固体酸化物は、酸素イオン（Ｏ^２−）を伝導させる性質をもつものであり、イットリアを添加した安定化ジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。アノードガスを通過させる通路１１ｒがアノード１１に隣設された状態で燃料電池１０の内部に形成されている。アノード１１の材料としては、ニッケルやコバルト等の金属が例示され、更に、ニッケル等の金属相とジルコニアとが混在するサーメットが例示される。このようにアノード１１は金属成分を有するため、高温状態において酸化雰囲気に長時間晒されると、酸化物を生成させるおそれがある。酸化物はアノード１１の長寿命化を損なうおそれがあるため、アノード１１の過剰酸化は好ましくない。カソード１２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。材質は上記に限定されるものではない。なお、スタック１の下部には、アノードガスをスタック１の入口に案内するアノードガスマニホルド１３が配置されている。

図８に示すように、改質器２は、蒸発部２０と、燃料原料が供給される改質部２２とを備えている。蒸発部２０は、改質水系４から蒸発部２０に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部２２は蒸発部２０の下流に設けられており、蒸発部２０で生成された水蒸気で燃料原料を水蒸気改質させてアノードガス（水素リッチのため還元性雰囲気）を生成させ、アノードガスをアノードガス通路１４を介してスタック１の内部の通路１１ｒに供給させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。

筐体９は、筐体９の収容室９１と、外気とを連通させる外気取込口９２をもつ。燃料電池モジュール（燃料電池装置に相当）３は筐体９の内部に収容されており、発電室３２を形成する断熱材で形成された容器状の断熱壁３０を有する。断熱壁３０の発電室３２にスタック１および改質器２を燃焼用空間２３を介して収容することにより、燃料電池モジュール３は形成されている。燃料電池モジュール３では、スタック１の上側には改質器２（改質部２２および蒸発部２０）が配置されている。燃料電池モジュール３では、スタック１と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）との間には、燃焼用空間２３が形成されている。殊に、スタック１の上部と改質器２（改質部２２および蒸発部２０）の下部との間には、燃焼用空間２３が形成されている。

図８に示すように、改質水系４は、改質部２２における水蒸気改質において水蒸気として消費される液相状の改質水を蒸発部２０を介して改質部２２に供給するものであり、水精製器４０と改質器２とを結ぶ改質水供給通路４１と、改質水ポンプ４２（改質水搬送源）と、給水バルブ４３とを有する。水精製器４０は、水を浄化させ得るイオン交換樹脂等の水精製材４０ａを有する。

図８に示すように、燃料原料供給系５は、炭化水素系の燃料原料を改質器２に供給させるために燃料源５０に繋がる燃料原料供給通路５１と、入口バルブ５２と、流量計５３、脱硫器５４と、燃料原料ポンプ５５（燃料原料搬送源）とを有する。カソードガス供給糸６は、空気であるカソードガスをスタック１のカソード１２に供給するカソードガス供給通路６０と、除塵フィルタ６１と、カソードガスポンプ６２（カソードガス搬送源）と、流量計６３とを有する。

カソードガスポンプ６２（カソード流体搬送源）が駆動すると、外気は外気取込口９２から収容室９１に流入し、除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介してカソードガスとしてスタック１の入口からカソード１２に供給される。外気取込口９２から取り込まれる外気（カソードガス）の温度を検知する温度センサ１０２が、筐体９の外気取込口９２付近において設けられている。蒸発部２０で生成される水蒸気の温度を検知する温度センサ１０３が蒸発部２０に設けられている。改質器２の改質部２２の温度を検知する温度センサ１０４が改質器２２に設けられている。スタック１の温度を検知する温度センサ１０５がスタック１に設けられている。スタック１の発電電圧を検知する電圧センサ１０６が設けられている。センサ１０２，１０３，１０４，１０５，１０６の各信号は制御部１００に入力される。

図８に示すように、貯湯系７は、熱交換器７４および貯湯タンク７０を循環する循環通路７１と、循環通路７１に設けられた貯湯ポンプ７２（貯湯用水の水搬送源）とを有する。貯湯ポンプ７２が作動すると、貯湯タンク７２の水は、循環通路７１から熱交換器７４に供給され、熱交換器７４における排気ガスとの熱交換により加熱される。加熱された水は貯湯タンク７０に戻る。これにより貯湯タンク７０は温水を貯留させる。燃料電池モジュール３の近傍には熱交換器７４が設けられている。

熱交換器７４は、燃料電池モジュール３から排出される排気ガスが通過するガス通路７４ｇと、貯湯系７の循環通路７１の水が通過する水通路７４ｗとをもつ。そして、熱交換器７４を流れる排気ガスの熱は、貯湯系７の循環通路７１の水に伝達される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから排気通路７５が筐体９の排気口７６に向けて延設されており、燃料電池モジュール３の発電室３２で生成された排気ガスは、熱交換器７４で冷却された後、排気通路７５を介して排気口７６から筐体９の外部に排出される。熱交換器７４のガス通路７４ｇから凝縮水通路７７が水精製器４０に向けて延設されている。従って排気ガスに含まれている気相状の水分は、熱交換器７４において冷却されて凝縮水を生成する。凝縮水は凝縮水通路７７から水精製器４０に供給される。

さて、スタック１の発電運転時には、バルブ５２が開放した状態で燃料原料ポンプ５５が駆動し、燃料原料が燃料原料供給通路５１を介して改質器２の蒸発部２０に供給される。また改質水ポンプ４２が駆動し、貯水タンク４４の液相状の改質水が改質水供給通路４１を介して蒸発部２０に供給される。ここで、蒸発部２０は加熱されているため、蒸発部２０は改質水を水蒸気化させる。水蒸気は改質部２２に供給される。改質部２２は燃料原料を水蒸気改質させ、アノードガスを生成させる。燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。固体酸化物形のスタック１では、Ｈ_２の他にＣＯも燃料となりうる。

（１）…ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
生成されたアノードガスは、アノードガス通路１４およびアノードガスマニホルド１３を介して、スタック１に設けられているアノードガス通路１１ｒの入口に供給されて発電に使用される。またカソードガスポンプ６２が駆動しているため、筐体９の外部の外気がカソードガスとして除塵フィルタ６１およびカソードガス供給通路６０を介して、発電室３２に供給され、更に隣設する燃料電池１０間の通路３２ｒを介して、スタック１のカソード１２に供給される。これによりスタック１は発電する。燃料電池１０同士は図略の集電部材を介して電気的に接続されている。

発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノード１１では基本的には（２）の反応が発生すると考えられている。酸素が供給されるカソード１２では基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソード１２において発生した酸素イオン（Ｏ^２−）がカソード１２からアノード１１に向けて電解質１５を伝導する。

（２）…Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（３）…１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−
発電反応後のアノードオフガスは、スタック１の上方の燃焼用空間２３に排出され、発電反応後のカソードオフガスおよび発電反応を経ていないカソードガスにより燃焼し、燃焼火炎２４を燃焼用空間２３において形成し、その後、排気ガスとして、熱交換器７４および逃がし弁７８を経て排気通路７５の先端の排気口７６から筐体９の外部に放出される。排気ガスに含まれる水分が凝縮した凝縮水は、熱交換器７４から導出される凝縮水通路７７から水精製器４０に供給され、水精製器４０で精製される。精製された水は、貯水タンク４４に改質水４４ｗとして貯留される。

なお、アノードガス（燃料原料）の流量としては、スタック１のアノード１１における発電反応で使用される流量と、燃焼用空間２３においてアノードオフガスが燃焼火炎２４を形成する流量とを含む流量が設定されている。カソードガスの流量としては、スタック１のカソード１２における発電反応で使用される流量と、燃焼用空間２３において燃焼用空気として燃焼火炎２４を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。

蒸発部２０は、燃焼用空間２３の燃焼火炎２４により加熱される。蒸発部２０は、炭化水素系のガス状をなす燃料原料を水蒸気改質させる改質触媒２２０を有する水蒸気改質反応室（吸熱室）を有する改質部２２に繋がる。改質触媒２２０は、水蒸気改質反応を促進させる触媒と、触媒を担持するセラミックス担体（例えばアルミナ、マグネシア）とを有する。触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、金等の貴金属系、または、ニッケル等の卑金属系等の公知のものが例示される。

本実施形態においても、前記した各実施形態と同様に、燃料電池装置１Ａを起動させるとき、燃料電池装置１Ａが第１所定温度Ｔ１以上であるとき、または、熱交換器７４の温度が第２所定温度Ｔ２以上であるとき、制御部１００は、高温の排ガスが排気口７６から放出されることを抑制する処理と、沸騰水が貯湯タンク７０に流入することを抑制する処理とを実行する。すなわち、制御部１００は、カソードガスを燃料電池装置１Ａに供給させて発電運転を開始する前に、水搬送源としての貯湯ポンプ７２を駆動させて熱交換器７４における冷却機能および熱交換機能を確保する。換言すると、制御部１００は、反応流体を燃料電池装置１Ａに供給させて発電運転を開始する前に、水搬送源としての貯湯ポンプ７２を駆動させて熱交換器７４における冷却機能および熱交換機能を確保する。

（その他）本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。制御部１００は、燃料電池装置１Ａを起動させるとき、カソードガスに供給させる操作よりも、貯湯ポンプ７２の駆動を開始する操作を時間的に優先させ、貯湯ポンプ７２の駆動の開始により熱交換器７４における熱交換機能を確保し、その後、燃料原料を燃料電池装置１Ａに供給させることにしている。これに限らず、水素ガスで形成されたアノードガスを貯蔵する貯蔵タンクを設けてもよい。この場合には、制御部１００は、燃料電池装置１Ａを起動させるとき、カソードガスを燃料電池装置１Ａに供給させる操作よりも、貯湯ポンプ７２の駆動を開始する操作を時間的に優先させ、貯湯ポンプ７２の駆動の開始により熱交換器７４における熱交換機能を確保し、その後、カソードガスを燃料電池装置１Ａに供給させる。

更に、スタック１の燃料電池１０は平板積層構造であるが、これに限らず、チューブ型でも良い。蒸発部２０は改質部２２と一体的に形成されているが、これに限らず、蒸発部２０は改質部２２から物理的に分離されていても良い。改質水ポンプ４２、燃料原料ポンプ５５およびカソードガスポンプ６２はポンプに限らず、コンプレッサ、ファンでも良い。熱交換器の温度を、上記した実施形態では熱交換器の出口温度で検知しているが、熱交換器の内部温度でも入口温度でもよい。熱交換器の内部温度を除けば、熱交換器の沸騰場所に一番近いのが熱交換器の出口温度である。更にセンサの取付けやすさ、取り替えやすさなどのため熱交換器の出口温度を採用している。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。

［付記項１］燃料原料から形成されたアノード流体とカソード流体とで発電する固体酸化物形の燃料電池装置と、燃料電池装置から吐出された高温の排ガスと冷却水とを熱交換させることにより、排ガスを冷却させると共に冷却水を加熱させる熱交換器と、熱交換器で加熱された冷却水を温水として溜める貯湯タンクと、熱交換器と貯湯タンクとを連通させる連通路と、連通路に設けられ燃料電池装置の発電運転時において駆動し、駆動に伴い連通路の冷却水を熱交換器を介して貯湯タンクに搬送させる水搬送源と、水搬送源の駆動を制御する制御部とを具備する燃料電池システム。

［付記項２］上記請求項において、燃料電池装置の発電運転を停止させるとき、前記水搬送源の駆動を停止させる操作よりも、燃料電池装置への燃料原料またはアノード流体の供給を停止させる操作を優先させ、燃料電池装置への燃料原料またはアノード流体の供給を停止させ、その後、前記水搬送源の駆動を所定時間継続させて前記熱交換器における熱交換機能を維持させる固体酸化物形燃料電池システム。

［付記項３］アノード流体とカソード流体とで発電する固体酸化物形の燃料電池装置と、前記燃料電池装置から吐出される高温の排ガスを放出させる排気通路と、排気通路に設けられ排気通路を流れる高温の排ガスと冷却水とを熱交換させることにより、排ガスを冷却させると共に冷却水を加熱させる熱交換器と、熱交換器で加熱された冷却水を温水として溜める貯湯タンクと、熱交換器と貯湯タンクとを連通させる連通路と、連通路に設けられ燃料電池装置の発電運転時において駆動し、駆動に伴い連通路の冷却水を熱交換器を介して貯湯タンクに搬送させる水搬送源と、水搬送源の駆動を制御する制御部とを具備しており、制御部は、燃料電池装置を起動させるとき、反応流体を燃料電池装置に供給させる操作よりも、前記水搬送源の駆動を開始する操作を時間的に優先させ、水搬送源の駆動の開始により熱交換器における熱交換機能を確保し、その後、反応流体を燃料電池装置に供給させる固体酸化物形燃料電池システム。

［付記項４］アノード流体とカソード流体とで発電する固体酸化物形の燃料電池装置と、燃料電池装置から吐出される高温の排ガスを放出させる排気通路と、排気通路に設けられ排気通路を流れる高温の排ガスと冷却水とを熱交換させることにより、排ガスを冷却させると共に冷却水を加熱させる熱交換器と、熱交換器で加熱された冷却水を温水として溜める貯湯タンクと、熱交換器と貯湯タンクとを連通させる連通路と、連通路に設けられ燃料電池装置の発電運転時において駆動し、駆動に伴い連通路の冷却水を熱交換器を介して貯湯タンクに搬送させる水搬送源と、水搬送源の駆動を制御する制御部とを具備する燃料電池システム。

本発明は例えば定置用、車両用、電子機器用、電気機器用の固体酸化物形燃料電池システムに利用することができる。

１Ａは燃料電池装置、１はスタック、１１はアノード、１２はカソード、２は改質器、２０は蒸発部、２２は改質部、２０２は出口温度センサ、２０３は入口温度センサ、２０５は迂回温度センサ、２２０は改質触媒、２３は燃焼用空間、２４は燃焼火炎、３は燃料電池モジュール、３０は断熱壁、３２は発電室、４は改質水系、４０は水精製器、４１は改質水供給通路、４２は改質水ポンプ（改質水搬送源）、４４は給水タンク、５は燃料原料供給系、５１は燃料原料供給通路、５５は燃料原料ポンプ（燃料原料搬送源）、６はカソードガス供給系、６０はカソードガス供給通路、６２はカソードガスポンプ（カソードガス搬送源）、１００は制御部、７１は循環通路（連通路）、７１５は迂回通路、７１７は迂回バルブ、７０は貯湯タンク、７２は貯湯ポンプ（水搬送源）、７４は熱交換器を示す。

Claims

アノード流体とカソード流体とで発電する固体酸化物形の燃料電池装置と、前記燃料電池装置から吐出される高温の排ガスを放出させる排気通路と、前記排気通路に設けられ前記排気通路を流れる高温の排ガスと冷却水とを熱交換させることにより、排ガスを冷却させると共に冷却水を加熱させる熱交換器と、前記熱交換器で加熱された冷却水を温水として溜める貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとを連通させる連通路と、
前記連通路に設けられ前記燃料電池装置の発電運転時において駆動し、駆動に伴い前記連通路の冷却水を前記熱交換器を介して前記貯湯タンクに搬送させる水搬送源と、前記水搬送源の駆動を制御する制御部とを具備しており、
前記制御部は、発電運転を停止していた前記燃料電池装置を再起動させるときに、前記燃料電池装置が第１所定温度Ｔ１以上であると前記制御部が判断したとき、または、前記熱交換器の温度が第２所定温度Ｔ２以上であると前記制御部が判断したとき、前記水搬送源を駆動させて前記熱交換器における熱交換機能を確保し、その後、カソード流体を前記燃料電池装置に供給させる固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記Ｔ１が１２０℃であり、前記Ｔ２が９５℃である、
固体酸化物形燃料電池システム。
請求項１において、前記連通路の冷却水が前記貯湯タンクを迂回する迂回通路が設けられ、前記連通路の冷却水が前記貯湯タンクを迂回して前記迂回通路を流れるように作動する迂回バルブが設けられており、
前記制御部は、
前記熱交換器を経た冷却水が所定温度より低いときあるいは冷却水が所定温度より低いおそれがあるとき、その冷却水が前記貯湯タンクに供給されることを抑制させると共に前記迂回通路を流れるように、前記迂回バルブの開度を制御させる固体酸化物形燃料電池システム。
請求項１または２のうちの一項において、前記連通路の冷却水が前記貯湯タンクを迂回する迂回通路が設けられ、前記連通路の冷却水が前記貯湯タンクを迂回して前記迂回通路を流れるように作動する迂回バルブが設けられており、
前記制御部は、
前記熱交換器を経た冷却水が沸騰しているときあるいは沸騰するおそれがあるとき、その冷却水が前記貯湯タンクに供給されることを抑制させると共に前記迂回通路を流れるように、前記迂回バルブの開度を制御させる固体酸化物形燃料電池システム。