(57)【要約】【課題】従来の燃料電池システムでは、運転温度の低温化を図る場合、電池内部に炭素析出が生じる恐れがあり、その炭素析出の防止策が必要であった。【解決手段】燃料及び酸化剤により発電する燃料電池１と、燃料供給手段２と、酸化剤供給手段３と、燃料電池の温度検知手段４と、燃料電池内部の炭素析出を判定する炭素析出判定手段５と、制御手段６を備え、制御手段６が、燃料電池１の起動に際して、燃料電池の温度が所定値以下である場合に通常発電時よりも低い電圧を設定し、その設定電圧に基づいて燃料及び酸化剤の供給量を設定し、炭素析出有りと判定した場合に酸化剤の供給量を増加する再設定をし、燃料電池に燃料及び酸化剤を供給する制御を行う燃料電池システムとしたことで、運転温度が比較的低い燃料電池１を採用した場合でも、燃料電池内部に炭素析出を発生させずに、高効率で迅速な起動を実現した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料及び酸化剤を用いて発電する燃料電池と、燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、燃料電池の温度を検知する温度検知手段と、燃料電池内部における炭素析出の有無を判定する炭素析出判定手段と、燃料電池及び各手段の制御を行う制御手段を備え、
制御手段が、燃料電池の起動に際して、温度検知手段により検知した燃料電池の温度が所定値以下である場合に燃料電池に対して通常発電時よりも低い電圧を設定し、その設定電圧に基づいて燃料電池に対する燃料及び酸化剤の供給量を設定し、炭素析出判定手段により燃料電池内部に炭素析出有りと判定した場合に燃料電池に対する酸化剤の供給量を増加する再設定をした後、燃料電池に対して燃料供給手段及び酸化剤供給手段から燃料及び酸化剤を供給する制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料供給手段と燃料電池の間に燃料を改質する改質器を備え、燃料供給手段から供給した燃料を改質器で改質して、その改質燃料を燃料電池に供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池から排出された排気燃料ガスの一部を上流側に戻して循環させる排気燃料ガス循環手段を備え、
制御手段が、燃料電池内部に炭素析出有りと判定した場合に酸化剤の供給量及び排気燃料ガスの循環量の少なくとも一方を増加する設定を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
炭素析出判定手段が、燃料電池に供給する酸化剤量と燃料量との比と、燃料電池の温度に関連して予め設定した酸化剤／燃料比における所定値とを比較して、炭素析出の有無を判定する手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
炭素析出判定手段が、燃料電池に供給する酸化剤量と燃料量の比と、燃料電池に供給する水蒸気量と燃料量の比を、燃料電池の温度に関連して予め設定した酸化剤／燃料比における所定値及び水蒸気／燃料比における所定値とを夫々比較して、炭素析出の有無を判定する手段であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
炭素析出判定手段が、燃料電池の入口での析出炭素量と所定値とを比較して、炭素析出の有無を判定する手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
炭素析出判定手段が、燃料電池の出口での析出炭素量と所定値とを比較して、炭素析出の有無を判定する手段である請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料及び酸化剤を用いて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムを起動制御するに際し、
燃料電池の温度を検知して、燃料電池の温度が所定値以下である場合に燃料電池に対して通常発電時よりも低い電圧を設定し、その設定電圧に基づいて燃料電池に対する燃料及び酸化剤の供給量を設定し、次に、燃料電池内部に炭素析出が発生するか否かを判定し、燃料電池内部に炭素析出有りと判定した場合に燃料電池に対する酸化剤の供給量を増加する再設定をした後、燃料電池に対して設定量の燃料及び酸化剤を供給することを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
【請求項９】
燃料及び酸化剤を用いて発電する燃料電池を備えると共に、燃料電池から排出された排気燃料ガスを循環させる構造の燃料電池システムを起動制御するに際し、
燃料電池の温度を検知して、燃料電池の温度が所定値以下である場合に燃料電池に対して通常発電時よりも低い電圧を設定し、その設定電圧に基づいて燃料電池に対する燃料及び酸化剤の供給量を設定し、次に、燃料電池内部に炭素析出が発生するか否かを判定し、燃料電池内部に炭素析出有りと判定した場合に燃料電池に対する酸化剤の供給量を及び排気燃料ガスの循環量の少なくとも一方を増加する設定をした後、燃料電池に対して設定量の燃料及び酸化剤を供給することを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料及び酸化剤を用いて発電する燃料電池を備えた燃料電池システム及びその起動制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、水素や炭化水素を燃料とし、酸素や空気を酸化剤として電気化学的反応により発電するものである。燃料には気体や液体を用いることができるが、自動車等の移動体に適用する場合には燃料電池システムの容積をできる限り小さくすることが重要であるから、その燃料源は気体よりも液体であることが望ましく、その液体燃料を気化して用いることが知られている。
【０００３】
従来の燃料電池システムとしては、例えば特許文献１に記載されているように、起動初期には燃料及び酸化剤を加熱して燃料電池に供給し、燃料電池が発電可能な温度に達したところで発電を開始すると共に、それ以降には燃料電池の反応熱を利用して同燃料電池を加熱することにより、高効率で急速な起動を図ろうとしたものがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０２２０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする手段】
【０００５】
この従来例の燃料電池システムでは、燃料電池の運転温度が高温（９００〜１０００℃）であるが、近年、この種の燃料電池システムでは、燃料電池の発電性能や耐久性能等を向上させる観点から、運転温度の低温化（例えば６００〜７００℃）を実現するための研究開発が成されている。ところが、燃料電池システムでは、運転温度を低くすると、燃料電池の電極上に炭素が析出する恐れがある。
【０００６】
このため、従来の燃料電池システムにあっては、比較的低温での通常運転を行う燃料電池を採用して高効率で迅速な起動を行うには、炭素析出の恐れが高い低温から発電を開始しなければならず、炭素析出の防止策が必要である。
【０００７】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、運転温度が比較的低い燃料電池を採用した場合でも、燃料電池の電極上に炭素析出を発生させることなく、高効率で迅速な起動を実現することができる燃料電池システム及び起動制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、燃料及び酸化剤を用いて発電する燃料電池と、燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、燃料電池の温度を検知する温度検知手段と、燃料電池内部における炭素析出の有無を判定する炭素析出判定手段と、燃料電池及び各手段の制御を行う制御手段を備えている。なお、制御手段は、例えば、燃料電池の発生電力を設定する手段や燃料及び酸化剤の夫々の供給量を設定する手段を含むものとすることができ、さらには、温度検知手段や炭素析出判定手段を含む構成にすることもできる。
【０００９】
また、燃料電池システムは、制御手段が、燃料電池の起動に際して、温度検知手段により検知した燃料電池の温度が所定値以下である場合に燃料電池に対して通常発電時よりも低い電圧を設定し、その設定電圧と燃料電池の温度により決定される発電電流に基づいて燃料電池に対する燃料及び酸化剤の供給量を設定する。そして、燃料電池システムは、制御手段が、炭素析出判定手段により燃料電池内部に炭素析出有りと判定した場合に燃料電池に対する酸化剤の供給量を増加する再設定をした後、燃料電池に対して燃料供給手段及び酸化剤供給手段から燃料及び酸化剤を供給する制御を行う構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【００１０】
本発明の燃料電池システムの起動制御方法は、燃料及び酸化剤を用いて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムを起動制御するに際し、燃料電池の温度を検知して、燃料電池の温度が所定値以下である場合に燃料電池に対して通常発電時よりも低い電圧を設定し、その設定電圧と燃料電池の温度により決定される発電電流に基づいて燃料電池に対する燃料及び酸化剤の供給量を設定する。
【００１１】
そして、燃料電池システムの起動制御方法は、燃料電池内部に炭素析出が発生するか否かを判定し、燃料電池内部に炭素析出有りと判定した場合に燃料電池に対する酸化剤の供給量を増加する再設定をした後、燃料電池に対して設定量の燃料及び酸化剤を供給することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、運転温度が比較的低い燃料電池を採用した場合でも、燃料電池の電極上に炭素析出を発生させることなく、高効率で迅速な起動を実現することができる。これにより、発電性能や耐久性能に優れ且つ自動車等の移動体への適用に極めて有効な燃料電池システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の燃料電池システムの第１実施形態を説明するブロック図である。
【図２】燃料電池の温度と発電電流との関係を示すグラフである。
【図３】燃料電池の温度と酸化剤／燃料比との関係を示すグラフである。
【図４】第１実施形態の燃料電池システムの起動制御方法を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の燃料電池システムの第２実施形態を説明するブロック図である。
【図６】燃料電池の温度と酸化剤／燃料比と水蒸気／燃料比との関係を示す三次元のグラフである。
【図７】第２実施形態の燃料電池システムの起動制御方法を説明するフローチャートである。
【図８】燃料電池の温度と析出炭素量との関係を示すグラフである。
【図９】燃料電池システムの起動制御方法の他の実施形態を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に示す第１実施形態の燃料電池システムは、燃料及び酸化剤を用いて発電する燃料電池１と、燃料電池１に燃料を供給する燃料供給手段２と、燃料電池１に酸化剤を供給する酸化剤供給手段３を備えている。また、同システムは、燃料電池１の温度を検知する温度検知手段４と、燃料電池内部における炭素析出の有無を判定する炭素析出判定手段５と、燃料電池１及び各手段２〜５の制御を行う制御手段６を備えている。さらに、同システムは、例えば可変抵抗等を含む構成により燃料電池１の発電電力を制御する起動用負荷７を備えている。
【００１５】
燃料電池１は、例えば２００℃以上の高温で作動する固体電解質型燃料電池であって、電解質１Ａを燃料極１Ｂと空気極１Ｃとで挟持して成るセルを備えている。燃料供給手段２は、燃料ポンプを含み、燃料電池１の燃料極１Ｂに対してガソリン、プロパン及びエタノールなどの種々の炭化水素系燃料を供給する。
【００１６】
酸化剤供給手段３は、空気ブロワを含み、燃料電池１の空気極１Ｃに対して酸化剤（空気）を供給する。なお、酸化剤供給手段３は、酸素や水蒸気を含むガスを供給するものでも良い。
【００１７】
そして、燃料電池１は、導入された燃料が燃料極１Ｂ上での内部改質反応により、水素リッチな燃料ガスへ改質され、酸化剤（空気）が空気極１Ｃに導入され、電気化学反応により電気エネルギーを発生する。
【００１８】
また、燃料電池１は、通常発電時には、システムのエネルギ効率の観点から、１セルあたり０．７Ｖ以上の比較的高電圧で運転する。燃料電池１の開回路電圧は１Ｖ程度であるが、発電電圧と開回路電圧の差が大きいほど、燃料電池１の内部抵抗での発熱により消費されるエネルギーが大きくなる。すなわち、電気として回収できるエネルギーが小さくなるためである。
【００１９】
ここで、制御手段６は、上記温度検知手段４と、燃料電池１に対して発生電力を設定する電力設定手段６Ａと、燃料電池に対する燃料及び酸化剤の供給量を設定する燃料・酸化剤量設定手段６Ｂと、上記炭素析出判定手段５を含み、計測情報の収集、演算処理及び各構成要素の動作制御を行うものとなっている。
【００２０】
温度検知手段４は、様々な形態を採用することが可能であるが、この実施形態では、燃料電池１の開回路電圧から温度を推定検知する。なお、温度検知手段４は、燃料電池１の温度を直接的に検出するセンサ類を採用することもできる。
【００２１】
電力設定手段６Ａは、燃料電池１の発電電圧を指示値として設定する機能と、通常運転時よりも低電圧を設定する機能と、設定電圧及び取得した燃料電池１の温度から、燃料電池１で発電可能な電力量（電流量）を見積もる機能を有している。この際には、図２に示すような温度−電流特性に基づいて電流値を見積もることができる。なお、実際に発電した際に設定電力とのずれを検知し且つ補正するために、電圧計や電流計を用いることができる。そして、電力設定手段６Ａは、燃料電池１に接続し起動用負荷７を制御する。これにより、燃料電池１は、設定電力となるように発電を行うこととなる。
【００２２】
燃料・酸化剤量設定手段６Ｂは、燃料電池１に供給する酸化剤／燃料比を設定（初期値）する。これはシステム全体を最も効率良く運転するという観点から設定する。燃料・酸化剤量設定手段６Ｂは、設定した酸化剤／燃料比と燃料電池１の温度から、燃料電池１の内部改質により生成する燃料ガスの組成を算出し、電力設定手段６Ａで設定した電圧値から決定される電流量に従って発電に必要な燃料（燃料ガス）の量を算出する。そして、所定の燃料過剰率となるように燃料供給手段２および酸化剤供給手段３から供給する燃料及び酸化剤の量を設定する
【００２３】
炭素析出判定手段５は、より好ましい実施形態として、燃料電池１に供給する酸化剤量と燃料量との比と、燃料電池１の温度に関連して予め設定した酸化剤／燃料比の所定値（図３参照）とを比較して、炭素析出の有無を判定する手段とすることができる。
【００２４】
また、炭素析出判定手段５では、酸化剤／燃料の比が炭素析出を反映する指標となっている。つまり、炭素析出判定手段５では、指標が酸化剤／燃料比の所定値を下回る場合に炭素析出有りと判定する。
【００２５】
ここで、燃料電池１の温度に関連して酸化剤／燃料の比の所定値を設定したのは、同じ酸化剤／燃料比でも燃料電池１の温度が低いほど炭素析出の危険性が高いためである。すなわち、図３に示すように、酸化剤／燃料の比の所定値は、燃料電池１が低温であるほど大きく、高温になるに従って小さくなるように設定してある。
【００２６】
また、発電電圧を指示値として低電圧での運転を行う際には、電圧が一定でも燃料電池１の温度が低いほど電流量は小さく、温度が高いほど電流量は大きい。したがって、燃料電池１の温度が低いほど生成水量が少なく、温度が高いほど生成水量が多いため、仮に炭素析出の危険性が同じ燃料を供給したとしても、生成水量が多い方が炭素析出の危険性は低くなる。
【００２７】
このような点からも、酸化剤／燃料比の所定値は、燃料電池１の温度が高くなるほど小さくなるように設定してあり、燃料電池１の温度に対する電圧−電流特性を考慮して設定されている。このように燃料電池１の温度に対して酸化剤／燃料の比の所定値を設定することにより、燃料電池１の発電により発生する生成水の炭素析出抑制効果を得ることができる。
【００２８】
制御手段６は、温度検知手段４、電力設定手段６Ａ、燃料・酸化剤量設定手段６Ｂ及び炭素析出検知手段５により、燃料電池１の起動に際して起動制御を行う。すなわち、制御手段６は、燃料電池１の起動に際して、温度検知手段４により検知した燃料電池１の温度が所定値以下である場合に燃料電池１に対して通常発電時よりも低い電圧を設定する。また、設定電圧に基づいて燃料電池に対する燃料及び酸化剤の供給量を設定する。そして、炭素析出判定手段５により燃料電池内部に炭素析出有りと判定した場合に燃料電池１に対する酸化剤の供給量を増加する再設定をした後、燃料電池１に対して燃料供給手段２及び酸化剤供給手段３から燃料及び酸化剤を供給する制御を行う。
【００２９】
上記の燃料電池システムの起動制御方法は、図４のフローチャートに示すように、ステップＳ１において、温度検知手段４により燃料電池１の温度を検知し、ステップＳ２において、検知温度が通常運転温度に到達したか否かを判定する。ステップＳ２において検知温度が通常運転温度に到達した場合（Ｙｅｓ）には、そのままステップＳ９の通常発電に移行する。
【００３０】
また、ステップＳ２において検知温度が通常運転温度に到達していない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ３において、電力設定手段６Ａにより燃料電池１に対して通常発電時よりも低い電圧を設定する。次に、ステップＳ４において、燃料・酸化剤量設定手段６Ａにより設定電圧に基づいた燃料及び酸化剤の供給量を設定する。その後、ステップＳ５において、炭素析出判定手段５により炭素析出を計算して、ステップＳ６において、炭素析出の有無を判定する。
【００３１】
そして、ステップＳ６において炭素析出有りと判定した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ７に移行して酸化剤／燃料比を増加させた後に、ステップＳ４に戻って燃料電池１に対する酸化剤の供給量を増加する再設定をし、ステップＳ５及びＳ６を繰り返す。また、ステップＳ６において炭素析出無しと判定した場合（Ｎｏ）には、ステップＳ８に移行して発電を行う。すなわち、起動用負荷７を制御すると共に、燃料電池１に対して燃料供給手段２及び酸化剤供給手段３から燃料及び酸化剤を供給する制御を行う。具体的には燃料ポンプや空気ブロワを制御する。
【００３２】
上記した第１実施形態の燃料電池システム及びその起動制御方法では、通常運転時よりも低電圧で発電することで、通常時のエネルギ効率を重視した運転状態から、燃料電池１での炭素析出を抑制し、且つ燃料電池の加熱効率を重視した運転状態とすることができる。
ここで、低電圧とは、通常発電時の発電電圧よりも低い電圧という相対的な定義をしているが、より好ましくは燃料電池１の最高出力が得られる電圧以下の電圧である。
【００３３】
発電電圧を低く設定する、すなわち高電流運転を選択することで、燃料電池１の発電により多量の生成水を発生させることができる。これにより、燃料極１Ｂで発生する多量の生成水が燃料極表面への燃料ガスからの炭素析出を抑制し、炭素析出が生じ易い低温時においても燃料極１Ａを劣化させることなく、発電による発熱で燃料電池１を加熱することができる。
【００３４】
さらに、当該燃料電池システム及びその起動制御方法では、上記した多量の生成水による炭素析出の抑制に加えて、燃料電池１の温度に従って、炭素析出が生じ難い状態で燃料ガスを燃料電池１に供給する制御によっても炭素析出を抑制しているため、より信頼性が高く、炭素析出による劣化のない燃料電池１の加熱運転を実現することができる。
【００３５】
さらに、発電電圧を低く設定することで、燃料電池１の内部抵抗での発熱量を増大させることができ、燃料電池自身が発熱することで、燃料電池１に効率的に熱エネルギーを与えて、高効率な急速起動を実現することができる。
【００３６】
当該燃料電池システム及びその起動制御方法では、上記炭素析出判定手段５の採用により、炭素析出を反映する指標が燃料供給手段２から供給する燃料量と、酸化剤供給手段３から供給する酸化剤量の制御値の比で表すことができ、別途情報を取得したり計算する必要がないため、簡易なシステムで炭素析出を抑制した起動運転を行うことができる
【００３７】
また、燃料電池の温度に応じて酸化剤／燃料比の所定値を設定することで、燃料電池１の加熱中の各温度に適した運転状態を選択することができる。しかも、生成水の発生を考慮しているので、炭素析出判定手段５の結果に基づいて、酸化剤量及び水蒸気量の少なくとも一方を操作する際に、過剰な増加による燃料利用率の低下を引き起こすことがなく、高効率な起動運転を行うことができる。
【００３８】
図５に示す第２実施形態の燃料電池システムは、先の実施形態の燃料電池システム（図１参照）と同等の基本構成を備えると共に、燃料供給手段２と燃料電池１の間に燃料を改質する改質器８を備えている。これにより、燃料供給手段２から供給した燃料を改質器８で改質して、その改質燃料を燃料電池１に供給する。また、燃料電池システムは、燃料電池１から排出された排気燃料ガスの一部を上流側に戻して循環させる排気燃料ガス循環手段９を備えている。
【００３９】
これにより、この実施形態の燃料電池システムでは、制御手段６が、燃料電池内部に炭素析出有りと判定した場合に酸化剤の供給量及び排気燃料ガスの循環量の少なくとも一方を増加する設定を行う。
【００４０】
改質器８は、燃料と、酸化剤及び水蒸気の少なくとも一方とを導入して燃料を改質し、水素リッチな燃料ガスを生成する。この改質器８では、燃料及び酸化剤による部分酸化改質、燃料及び水蒸気による水蒸気改質、その両者を利用するオートサーマル改質により燃料を改質することとなる。
【００４１】
排気燃料ガス循環手段９は、燃料電池１の排気側に接続した配管Ｐや三方向バルブＶを備え、燃料電池１から排出される排気燃料ガスの少なくとも一部を改質器８に戻して循環させる。つまり、この実施形態では、排気燃料ガスを循環させることで、排気燃料ガスに含まれる水蒸気を利用して炭素析出を抑制する。また、水蒸気の循環と共に排気燃料ガスに含まれる未使用燃料ガスも発電に利用することができる。
【００４２】
また、この実施形態における炭素析出判定手段５は、燃料電池１に供給する酸化剤量と燃料量と排気燃料ガスに含まれる未使用燃料量との合計量の比と、燃料電池に供給する燃料量及び排気燃料ガスに含まれる未使用燃料量の合計量と排気燃料ガス循環手段９から供給する排気燃料ガスに含まれる水蒸気量との比を、燃料電池１の温度に関連して予め設定した酸化剤／燃料比における所定値及び水蒸気／燃料比における所定値とを夫々比較して、炭素析出の有無を判定する手段である。
【００４３】
ここで、水蒸気／燃料比及び酸化剤／燃料比の所定値は、図６に示すような相関データとなっている。燃料電池に供給する水蒸気量は、排気燃料ガスの循環量×排気燃料ガス中の水蒸気濃度が循環できる量なので、湿度計にて排気燃料ガス中の水蒸気濃度を計測し、排気燃料ガスの循環量を調整することで水蒸気量を調整する。
【００４４】
上記の炭素析出判定手段５では、酸化剤／燃料の比及び水蒸気／燃料の比が炭素析出を反映する指標となっている。つまり、指標が、酸化剤／燃料の比及び水蒸気／燃料の比の所定値を下回る場合に炭素析出有りと判定する。そして、燃料電池１の温度が低いほど所定値は大きく、温度が高いほど所定値が小さくなるように設定してある。
【００４５】
また、例えば酸化剤／燃料の比が小さくても、水蒸気／燃料の比が大きい場合には、炭素析出を抑制することができる。したがって、酸化剤／燃料の比及び水蒸気／燃料の比のいずれか一方が小さい場合には、他方が大きくなるように関連性を持って所定値が設定してある。
【００４６】
なお、上記の炭素析出判定手段５の判定結果に従って、酸化剤量及び排気燃料ガスの循環量の少なくとも一方を増加させる場合には、燃料排ガスの循環量を増加する方が燃料利用率を高めることができる。ただし、水蒸気改質は吸熱反応であるために、割合を増やしすぎると逆に燃料電池１の温度を下げてしまう事態になりかねない。そこで、酸化剤量と排気燃料ガスの循環量の操作は、上記の事由を考慮して設定することが望ましい。
【００４７】
上記の燃料電池システムの起動制御方法は、図７のフローチャートに示すように、ステップＳ１１において、温度検知手段４により燃料電池１の温度を検知し、ステップＳ１２において、検知温度が通常運転温度に到達したか否かを判定する。ステップＳ１２において検知温度が通常運転温度に到達した場合（Ｙｅｓ）には、そのままステップＳ２１の通常発電に移行する。
【００４８】
また、ステップＳ１２において検知温度が通常運転温度に到達していない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ１３において、電力設定手段６Ａにより燃料電池１に対して通常発電時よりも低い電圧を設定する。次に、ステップＳ１４において、燃料・酸化剤量設定手段６Ａにより設定電圧に基づいた燃料及び酸化剤の供給量を設定する。その後、ステップＳ１５において、炭素析出判定手段５により炭素析出を計算して、ステップＳ１６において、炭素析出の有無を判定する。
【００４９】
そして、ステップＳ１６において炭素析出無しと判定した場合（Ｎｏ）には、ステップＳ１７に移行して発電を行う。すなわち、起動用負荷７を制御すると共に、燃料電池１に対して燃料供給手段２及び酸化剤供給手段３から燃料及び酸化剤を供給する制御、並びに排気燃料ガス循環手段９から改質器８に排気燃料ガスを供給する制御を行う。具体的には燃料ポンプ、空気ブロワ及び三方向バルブＶを制御する。
【００５０】
また、ステップＳ１６において炭素析出有りと判定した場合（Ｎｏ）には、ステップＳ１８において、排気燃料ガスの循環量を増加することが可能か否か、より正確には排気燃料ガスの循環量を増加排気燃料ガスの循環量だけで調整できるか否かを判定し、循環量増加が可能である場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１９において水蒸気／燃料比を算出し、ステップＳ１４において酸化剤量を再設定する。
【００５１】
さらに、ステップＳ１８において、排気燃料ガスを全て循環してもそこに含まれる水蒸気では不足であって、循環量増加が不可能である場合（Ｙｅａ）には、ステップＳ２０において酸化剤／燃料比を算出し、ステップＳ１４において酸化剤量を再設定する。
【００５２】
このように、ステップＳ１６において炭素析出有りと判定した場合には、酸化剤量を増加するのに先立って水蒸気量を増加する制御を行うことで、燃料利用率を低下せずに炭素析出を抑制することができる。
【００５３】
上記した第２実施形態の燃料電池システム及びその起動制御方法では、先の第１実施形態と同様に、炭素析出を起こすことなく比較的低い温度から高効率な急速起動運転を行うことができ、とくに、燃料電池１にガソリンなどの高級炭化水素燃料を直接供給する場合には炭素が析出する可能性が高くなるため、改質器８を設けて燃料電池１に供給する前に改質することで、炭素析出の危険性をさらに低下させることができる
【００５４】
また、排気燃料ガスに含まれる多量の生成水を循環して用いることで、水タンクなどを別途設けることなく、水蒸気を利用して炭素析出を抑制した運転を行うことができる。さらに、水蒸気改質反応を利用する方が、部分酸化改質に比べて燃料利用率を向上させることができ、効率的な起動運転を行うことができる。さらに、排気燃料ガスに含まれる未使用燃料も再循環することができるため、実質的な燃料利用率が向上し、より高効率な起動運転を行うことができる。さらに、上記の燃料電池システムの起動制御方法では、制御値で炭素析出を判定するのでシステムが簡易である。
【００５５】
また、電池システムの起動制御方法の他の実施形態として、水タンクなどの水蒸気供給手段を設けた場合には、上記したような供給できる水蒸気量に制限がないため、図７に示す起動制御方法における循環量増加の判定（Ｓ１８）は行わない。すなわち、図９に示すように、ステップＳ１６において炭素析出有りと判定した場合（Ｙｅｓ）に、ステップＳ１９において水蒸気／燃料比を算出し、ステップＳ１４において酸化剤量を再設定する。この起動制御方法によっても、炭素析出の防止や燃料利用率の向上を実現することができる。
【００５６】
本発明の燃料電池システム及びその起動制御方法は、より好ましい実施形態として、炭素析出判定手段が、燃料電池入口の析出炭素量と所定値とを比較して、炭素析出の有無を判定する手段であるものとすることができる。
【００５７】
この場合、析出炭素量が指標であり、析出炭素量が所定値を上回る場合に炭素析出有りと判定する。燃料電池入口の析出炭素量とは、燃料電池入口での燃料ガス組成と燃料電池温度より、平衡計算により算出される析出する可能性のある量、又は、反応速度計算により算出される実際に排気燃料ガスを燃料電池へ供給して排出される間に析出する可能性のある量である。
【００５８】
さらに、上記の炭素析出判定手段では、析出する炭素量自体を判定の対象としているため、析出の有無を比較・判定する所定値は一定値でも良いが、燃料電池の発電により発生する生成水が炭素析出を抑制することを考慮して、図８に示すように、析出炭素量の所定値を燃料電池の温度に関連して設定しても良い。この場合には、燃料電池の温度が低いほど生成水量が少なく炭素が析出し易いため所定値は小さく、逆に燃料電池の温度が高いほど生成水量が多く炭素が析出し難いために所定値は大きく設定してある。
【００５９】
上記の炭素析出判定手段を備えた燃料電池システム及びその起動制御方法では、先の各実施形態と同等の効果を得ることができるうえに、とくに、実際に燃料電池内で析出する可能性のある炭素量自体で析出判定を行うので、より正確な炭素析出の判定を行うことができ、信頼性の高い起動運転を行うことができる
【００６０】
（具体例）
炭素析出判定は、燃料電池入口での燃料ガス組成と燃料電池温度に基づいて、炭素析出量を求め、それを所定値と比較することで行う。炭素析出量は、燃料電池に供給する各ガス量を元に、以下の式（１）〜（５）を連立させて平衡計算を行うことで算出する。ただし、投入した燃料は全てＣＨ４以下まで改質されているとして計算している。また、燃料電池の温度上昇に伴って、燃料電池で発生する生成水量が増加することを考慮して、燃料電池の温度が高くなるほど所定値を大きく設定している。燃料電池システムの構成や起動制御方法の工程は第２実施例（図５及び図７参照）と同等である。
【００６１】
反応式              平衡定数
式（１）        CH４⇔C+2H２                    K1 = (C)*(H２)2/(CH４)
式（２）        CO+H２⇔H２O+C       K2 = (H２O)*(C)/(CO)*(H２)
式（３）        2CO⇔CO２+C          K3 = (CO２)*(C)/(CO)2
式（４）        CO+3H２⇔CH４+H２O   K4 = (CH４)*(H２O)/(CO)*(H２)3
式（５）        CO２+H２⇔CO+H２O    K5 = (CO)*(H２O)/(CO２)*(H２)
＊（）は各ガス分圧  
【００６２】
本発明の燃料電池システム及びその起動制御方法は、より好ましい実施形態として、炭素析出判定手段が、燃料電池出口での析出炭素量と所定値とを比較して、炭素析出の有無を判定する手段であるものとすることができる。
【００６３】
この場合、析出炭素量が指標であり、炭素析出量が所定値を上回る場合に炭素析出有りと判定する。燃料電池出口での析出炭素量とは、燃料電池出口での燃料ガス組成と燃料電池温度より、平衡計算や反応速度計算により算出される。この場合には、燃料電池の発電量（電流量）に基づいて、消費される燃料量とそれにより発生する生成水量から燃料電池出口での排気燃料ガスの組成を算出し、そのガス組成を用いて計算する。
【００６４】
上記の炭素析出判定手段では、燃料電池出口情報に基づいた炭素析出判定であるため、実際に発生する生成水量を考慮した判定を行うことができる。生成水量を考慮して実際に燃料電池内で析出する可能性のある炭素量について判定を行っているため、判定を行う炭素析出量の所定値は燃料電池温度によらず一定値を用いることができる。
【００６５】
上記の炭素析出判定手段を備えた燃料電池システム及びその起動制御方法では、先の各実施形態と同等の効果を得ることができるうえに、とくに、燃料電池内で析出する可能性のある炭素量を燃料電池の発電により実際に発生する生成水量を加味して析出判定を行うので、より確度の高い炭素析出の判定を行って、信頼性の高い起動運転を行うことができる。さらに、酸化剤や水蒸気の過剰供給による燃料利用率の低下を引き起こすことなく高効率な起動運転を行うことができる
【００６６】
（具体例）
炭素析出判定は、燃料電池出口での燃料排ガス組成と燃料電池温度から炭素析出量を求め、それを所定値と比較することで行う。炭素析出量は、先述の式（１）〜（５）を連立させて平衡計算を行うことで算出しているが、燃料電池の発電により燃料が消費され、生成水が発生することを考慮している。
【００６７】
先ず、燃料電池入口について平衡計算を行い、各ガス組成を計算する。その後、算出した各ガス量から燃料電池の発電量に応じて、燃料ガス量を減少させ、水蒸気量を増加させる。ここでは、燃料電池の発電にはＨ２のみが寄与するとして、以下の式（６）、（７）により水素の減少量と水蒸気の増加量を算出する。
【００６８】
式（６）      （消費されるH２流量）＝（燃料電池の総電流）/F/n
F=96485(C/mol)＝ファラデー定数    n=2=H２の反応電子数
式（７）      （生成する水蒸気流量）＝（消費されるH２流量）
【００６９】
そして、再度、先述の式（１）〜（５）を連立させて平衡計算を行うことで、燃料電池出口での炭素析出量を求める。燃料電池の発電による生成水量を考慮して析出炭素量を求めているため、判定を行う際の炭素析出量の所定値は一定値となっている。燃料電池システムの構成や起動制御方法の工程は第２実施例（図５及び図７参照）と同等である。   
【００７０】
以上のように、燃料電池システムにおける炭素析出判定手段は、炭素析出を反映する種々の指標を所定値と比較して、炭素析出の有無を判定することができる。炭素析出を反映する指標としては、燃料供給手段及び酸化剤供給手段が供給する燃料量及び酸化剤量の制御値、排気燃料ガスの循環量の制御や、料電池入口での燃料と酸化剤が混合された燃料ガス中の燃料濃度、酸素濃度、水蒸気濃度の実測値、燃料電池出口での燃料排ガス中の燃料ガス濃度、酸素濃度、水蒸気濃度の実測値、及びこれらの情報から得られる計算値を用いることができる。
【００７１】
燃料ガス中の燃料濃度は、可燃ガス検知器を使用して測定することができる。酸素濃度は、酸素濃度計で測定することができ、水蒸気濃度は、湿度計等で測定することができるほか、四重極質量分析計（Ｑ−ＭＡＳ）やガスクロマトグラフ分析計（ＧＣ）等の機器分析を応用して測定することもできる。
【００７２】
なお、本発明の燃料電池システム及びその起動制御方法は、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、各実施形態を組み合わせたり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成を適宜変更したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１  燃料電池
２  燃料供給手段
３  酸化剤供給手段
４  温度検知手段
５  炭素析出判定手段
６  制御手段
８  改質器
９  排気燃料ガス循環手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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