(57)【要約】【課題】燃料電池発電システムの起動時に、燃料電池内の金属部品等の高熱による破損を回避しつつ、起動時に必要な燃料の消費量を著しく低減することができる、燃料電池発電システム、この燃料電池発電システムを備えた車両、及び、燃料電池発電システムの起動方法を提供する。【解決手段】燃料電池発電システム１の起動時に、起動用燃焼装置１１で燃料電池１０に供給する燃焼ガスＧｂ１を発生させて、燃料電池１０からの燃焼ガスＧｂ２の一部を燃料改質器１６の下流側から起動用燃焼装置１１に還流すると共に、燃料電池１０に流入する燃焼ガスＧｂ１の温度Ｔ１又は還流する還流ガスＧｂ３の温度Ｔ２に基づいて、起動用燃焼装置１１に供給する燃料量と空気量と還流する還流ガスＧｂ３の流量とを制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質する燃料改質器と、該燃料改質器で改質された燃料と空気の供給を受けて発電する燃料電池とを備え、燃料を前記燃料改質器で改質してから、空気と共に前記燃料電池に供給して発電し、前記燃料電池からの排気ガスを前記燃料改質器に送り、排気ガスで前記燃料改質器を暖める燃料電池発電システムにおいて、
該燃料電池発電システムの起動時に前記燃料電池に供給する燃焼ガスを発生させる起動用燃焼装置と、
前記燃料電池から排出される燃焼ガスの一部を前記燃料改質器より下流側から前記起動用燃焼装置に還流する還流通路と、
該還流通路に流す燃焼ガスの流量を調整する流量調整弁と、
前記燃料電池に流入する燃焼ガスの温度または前記起動用燃焼装置に還流する還流ガスの温度に基づいて、前記起動用燃焼装置に供給する燃料量と、前記起動用燃焼装置に供給する空気量と、前記還流通路に流す燃焼ガスの流量とを制御する燃焼ガス温度制御手段とを設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記燃料電池で発生した排気ガスの熱を利用して前記燃料電池に供給する空気を暖める空気予熱器を、前記燃料改質器より下流側に設けるとともに、前記還流通路を前記空気予熱器より下流側から分岐して設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池発電システムを搭載して構成される車両。
【請求項４】
燃料改質器と燃料電池を備え、燃料を前記燃料改質器で改質してから、空気と共に前記燃料電池に供給して発電し、前記燃料電池からの排気ガスを前記燃料改質器に送り、排気ガスで前記燃料改質器を暖める燃料電池発電システムの起動方法であって、該燃料電池発電システムの起動時に、起動用燃焼装置で前記燃料電池に供給する燃焼ガスを発生させて、前記燃料電池から排出される燃焼ガスの一部を前記燃料改質器より下流側から前記起動用燃焼装置に還流すると共に、前記燃料電池に流入する燃焼ガスの温度または前記起動用燃焼装置に還流する還流ガスの温度に基づいて、前記起動用燃焼装置に供給する燃料量と、前記起動用燃焼装置に供給する空気量と、還流する燃焼ガスの流量とを制御することを特徴とする燃料電池発電システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を発電可能な温度まで昇温させる際に必要な燃料消費量を削減することができる燃料電池発電システム、この燃料電池発電システムを備えた車両及び燃料電池発電システムの起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池で水素と酸素の化学反応によって発電した電気エネルギーを用いて、モーターを回転させて車両走行用の動力を得る燃料電池車両（ＦＣＶ：Fuel Cell Vehicle）の研究開発が自動車業界で行われている。
【０００３】
一般に燃料電池は、空気が供給される空気極と、燃料を燃料改質器等で改質することで得た水素が供給される燃料極と、空気極と燃料極の間に挟み込まれたイオンのみを通過させる電解質と、この電解質の外部で空気極と燃料極を接続する外部電子回路を備えたものを単体セルとして、この単体セルをセパレータを介して複数重ね合わせて（スタック状態にして）構成されている。
【０００４】
そして、燃料電池を用いた燃料電池発電システムでは、燃料極が備える触媒の作用により、水素（Ｈ2）を分解し、分解で生じた電子を外部電子回路を経由して空気極に移動することで発電する。また、分解で生じた水素イオンは電解質を通過して空気極に移動し、外部電子回路を経由して空気極に戻る電子とともに、空気極に供給される空気中の酸素と化学反応して水となる。この水は、上記の化学反応による発熱を伴って生成されるため、高温の水蒸気であり、燃料電池からの排気ガスの一部として、燃料電池より排出される。
【０００５】
この燃料電池には、燃料や電解質等に応じて、固体高分子形（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、りん酸型（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）等の複数の種類がある。
【０００６】
この固体酸化物形の燃料電池は、他種類の燃料電池と比較して、発電可能な温度が高温（７００℃〜８００℃程度）であり、燃料電池を起動して発電を行うためには、少なくとも定格発電時の温度の７００℃程度まで燃料電池を昇温する必要がある。この昇温方法では、起動用燃焼装置（バーナー等）における燃料の燃焼で発生させた燃焼ガスを燃料電池に供給して、燃焼ガスの熱を伝達することで行っている。
【０００７】
例えば、空気極、電解質、及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池スタックと、空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料ガス供給手段に供給される燃料ガスを水蒸気改質反応により改質する水蒸気改質手段とを備えた燃料電池システムで、起動時に、起動用燃焼器において、起動用燃料供給経路に供給される起動用燃料を、起動用空気供給経路より供給される起動用空気により燃焼させ、この燃焼温度により、燃料電池スタックの温度を発電に適した温度にまで上昇させる。ただし、起動の後に定常運転状態となった後は、起動用燃料供給経路による起動用燃料の供給を停止し、起動用空気供給経路による起動用空気の供給を停止し、起動用燃焼器による熱供給を停止する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
しかしながら、この燃焼ガスによる伝熱量は温度差が大きいほど多くなるため、燃料電池の昇温の開始時には、燃料電池が低温であり、燃焼ガスとの温度差が大きいので伝熱量が多くなり昇温速度が大きいが、昇温が進み燃料電池の温度が高温になるにつれて、燃焼ガスとの温度差が小さくなるので伝熱量が少なくなり昇温速度も小さくなる。そのため、燃料電池の昇温が進むにつれて、昇温に要する時間が長くなり、発電可能な温度まで昇温させるために必要な起動エネルギー、すなわち、燃料電池の起動開始から起動完了までの間における燃料消費量が多くなる。そのため、起動に要する時間が長くなり、燃料電池を発電可能な温度まで昇温させる際に必要な燃料の消費量が多くなるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−７６２７３号公報（段落〔００３４〕）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一方、本発明者は、固体酸化物形の燃料電池を用いた燃料電池発電システムでは、その起動時においては、起動用の燃焼ガスが供給される燃料電池から排出される燃焼ガスも８００℃程度と高温であるにもかかわらず、燃料電池より下流側の燃料改質器の加熱及び熱交換器の加熱や貯湯タンクでの排熱回収に用いているが、起動時の燃料電池の加熱には寄与させずに大部分の排熱量を大気へ放出していることと、起動用燃焼装置における燃焼ガスの温度が高温になり過ぎないように、空気過剰状態で燃料を燃焼するため、燃料電池に供給し、燃料電池から排出される燃焼ガスに多量の酸素が含まれていることを考慮すると、この排気ガスが有する多量の排熱量及び酸素を起動時に有効利用することで、発電可能な温度まで昇温させる際に必要な燃料消費量を削減することができるとの知見に到った。
【００１１】
更に、起動時の後期における燃焼ガスの再循環では、燃焼ガスと燃料電池との温度差が小さく、伝熱量が少なくなるので、燃料電池から排出される燃焼ガスの温度も高くなり、この高温の燃焼ガスを再循環させると、起動用燃焼装置で発生する燃焼ガスの温度が上昇して、燃料電池内の金属部品等が破損する恐れが生じるという知見も得た。
【００１２】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池発電システムの起動時に、燃料電池内の金属部品等の高熱による破損を回避しつつ、起動用燃焼装置で発生して燃料電池に送られる燃焼ガスが有する熱量及び酸素を有効利用することで、燃料電池を発電可能な温度まで昇温させる際に必要な燃料の消費量を著しく低減することができる、燃料電池発電システム、この燃料電池発電システムを備えた車両、及び、燃料電池発電システムの起動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するための本発明の燃料電池発電システムは、燃料を改質する燃料改質器と、該燃料改質器で改質された燃料と空気の供給を受けて発電する燃料電池とを備え、燃料を前記燃料改質器で改質してから、空気と共に前記燃料電池に供給して発電し、前記燃料電池からの排気ガスを前記燃料改質器に送り、排気ガスで前記燃料改質器を暖める燃料電池発電システムにおいて、該燃料電池発電システムの起動時に前記燃料電池に供給する燃焼ガスを発生させる起動用燃焼装置と、前記燃料電池から排出される燃焼ガスの一部を前記燃料改質器より下流側から前記起動用燃焼装置に還流する還流通路と、該還流通路に流す燃焼ガスの流量を調整する流量調整弁と、前記燃料電池に流入する燃焼ガスの温度または前記起動用燃焼装置に還流する還流ガスの温度に基づいて、前記起動用燃焼装置に供給する燃料量と、前記起動用燃焼装置に供給する空気量と、前記還流通路に流す燃焼ガスの流量とを制御する燃焼ガス温度制御手段とを設けて構成される。
【００１４】
この構成によれば、起動時における燃料電池を通過した後の燃焼ガスの一部を還流ガスとして空気（新気）と共に起動用燃焼装置に供給し、かつ、燃焼ガス温度制御手段により、起動用燃焼装置での燃焼温度を例えば９００℃〜１１００℃程度の一定の温度に維持して燃料電池内の金属部品等の破損を防止しながら、起動用燃焼装置に還流する還流ガス中に含まれる酸素を高温の酸化剤として有効に利用して起動用燃焼装置での燃焼を促進して、少ない燃料で高温の燃焼ガスを燃料電池に供給することができる。これにより、燃料電池を発電可能な温度まで昇温させるために必要な起動エネルギー、すなわち、燃料電池の起動開始から起動完了までの間における燃料消費量を削減することができる。
【００１５】
特に、燃料電池として、燃料電池の発電可能な温度が７００℃〜８００℃程度の高温である固体酸化物形を用いる場合には、特に、燃料消費量の削減効果が大きく、また、燃料電池発電システムの起動回数が多いほど、燃料消費量の削減効果が大きくなる。
【００１６】
また、燃料電池を通過した後の燃焼ガスの一部を還流ガスとして、燃料改質器より下流側から還流通路を経由して起動用燃焼装置に還流するので、燃料電池と共に燃料改質器も燃料を改質できる温度に加熱することができる。そのため、燃料電池が発電可能な温度まで昇温して発電用の経路に切り替える時点では、既に燃料改質器も昇温しているので、効率よく発電できる。
【００１７】
更に、燃焼ガス温度制御手段により、燃料電池に流入する燃焼ガスの温度または起動用燃焼装置に還流する還流ガスの温度に基づいて、起動用燃焼装置に供給する燃料量と、起動用燃焼装置に供給する空気量と、還流通路に流す燃焼ガスの流量とを制御することができるので、効率よく燃料を節約すると共に、起動用燃焼装置で発生する燃焼ガスの温度の上昇を抑制しながら燃料電池を昇温できるので、燃料電池発電システムの起動時における、燃料電池内の金属部品等の高熱による破損を回避できる。
【００１８】
また、上記の燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池で発生した排気ガスの熱を利用して前記燃料電池に供給する空気を暖める空気予熱器を、前記燃料改質器より下流側に設けるとともに、前記還流通路を前記空気予熱器より下流側から分岐して設けて構成される。
【００１９】
この構成によれば、起動時に燃料電池を通過した後の燃焼ガスの一部を還流ガスとして、燃料改質器より下流側に設けた空気予熱器より下流側から還流通路を経由して起動用燃焼装置に還流するので、空気予熱器を加熱して、燃料電池発電システムの起動後の定格発電時に、燃料電池に供給する空気と燃料電池から排出される排気ガスの温度差を小さくすることができ、熱交換器内の部品、特に、陶器製の部品の温度差に起因する破損を防止することができる。
【００２０】
また、上記の燃料電池発電システムを搭載した車両は、上記の燃料電池発電システムと同様の作用効果を奏することができる。
【００２１】
また、上記の目的を達成するための本発明の燃料電池発電システムの起動方法は、燃料改質器と燃料電池を備え、燃料を前記燃料改質器で改質してから、空気と共に前記燃料電池に供給して発電し、前記燃料電池からの排気ガスを前記燃料改質器に送り、排気ガスで前記燃料改質器を暖める燃料電池発電システムの起動方法であって、該燃料電池発電システムの起動時に、起動用燃焼装置で前記燃料電池に供給する燃焼ガスを発生させて、前記燃料電池から排出される燃焼ガスの一部を前記燃料改質器より下流側から前記起動用燃焼装置に還流すると共に、前記燃料電池に流入する燃焼ガスの温度または前記起動用燃焼装置に還流する還流ガスの温度に基づいて、前記起動用燃焼装置に供給する燃料量と、前記起動用燃焼装置に供給する空気量と、還流する燃焼ガスの流量とを制御することを特徴とする方法である。
【００２２】
この方法によれば、上記の燃料電池発電システムと同様に、起動用燃焼装置に還流する還流ガス中に含まれる酸素を高温の酸化剤として有効に利用して起動用燃焼装置での燃焼を促進して、少ない燃料で高温の燃焼ガスを燃料電池に供給ができるので、燃料電池の起動開始から起動完了までの間における燃料消費量を削減することができる。
【００２３】
また、燃料電池を通過した後の燃焼ガスの一部を還流ガスとして、燃料改質器より下流側から起動用燃焼装置に還流するので、燃料電池と共に燃料改質器も燃料を改質できる温度に加熱することができ、燃料電池が発電可能な温度まで昇温して発電用の経路に切り替える時に、既に、燃料改質器も昇温しているので、効率よく発電できる。
【００２４】
更に、燃焼ガス温度制御手段により、燃料電池に流入する燃焼ガスの温度または起動用燃焼装置に還流する還流ガスの温度に基づいて、起動用燃焼装置における燃料量と空気量と還流される燃焼ガスの流量とを制御することにより、効率よく燃料を節約すると共に、起動用燃焼装置で発生する燃焼ガスの温度の上昇を抑制しながら、燃料電池を昇温するので、燃料電池発電システムの起動時における、燃料電池内の金属部品等の高熱による破損を回避できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の燃料電池発電システム、この燃料電池発電システムを備えた車両及び燃料電池発電システムの起動方法によれば、燃料電池発電システムの起動時に、燃料電池内の金属部品等の高熱による破損を回避しつつ、起動用燃焼装置で発生して燃料電池に送られる燃焼ガスが有する熱量及び酸素を有効利用することで、燃料電池を発電可能な温度まで昇温させる際に必要な燃料の消費量を著しく低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る実施の形態の燃料電池発電システムの構成の一例を示す図であり、起動時の径路を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の燃料電池発電システムの構成の他の例を示す図であり、起動時の径路を示す図である。
【図３】本発明に係る排気ガスの再循環率と燃料消費量の削減率の関係の一例を示す図である。
【図４】従来技術に係る実施の形態の燃料電池発電システムの構成の一例を示す図であり、起動後の定格発電時の径路を示す図である。
【図５】従来技術に係る実施の形態の燃料電池発電システムの構成の一例を示す図であり、起動時の径路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る実施の形態の燃料電池発電システム、この燃料電池発電システムを備えた車両、及び、燃料電池発電システムの起動方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
最初に、本発明に係る燃料電池発電システムと、従来技術に係る燃料電池発電システムの差を明確にすべく、従来技術に係る燃料電池発電システムの起動方法について説明する。
【００２９】
図４及び図５に示すように、従来技術に係る燃料電池発電システム１Ｘは、燃料電池１０、起動用燃焼装置（バーナー等）１１、ブロワ１２、燃料タンク１３、圧力調整弁１４、燃焼器１５、燃料改質器１６、空気予熱器（熱交換器）１７、貯湯タンク１８、サプライポンプ１９等を有して構成される。
【００３０】
この燃料電池１０は、空気（新気）Ａを供給される空気極（陰極）と、燃料Ｆを燃料改質器１６で改質することで得た水素Ｈを供給される燃料極（陽極）と、空気極と燃料極の間に挟み込まれたイオンのみを通過させる電解質と、この電解質の外部で空気極と燃料極を接続する外部電子回路を備えたものを単体セルとして、この単体セルをセパレータを介して複数重ね合わせて、即ち、スタック状態にして構成される。
【００３１】
そして、発電時では、図４に示すように、ブロワ１２からの空気Ａを空気予熱器１７で昇温してから燃料電池１０に送ると共に、燃料タンク１３の燃料Ｆを圧力調整弁１４を経由して燃料改質器１６に供給し、この燃料改質器１６で燃料Ｆの改質で生じた水素Ｈを燃料電池１０に供給して発電し、燃料電池１０からの排気ガスＧａ１を燃焼器１５に通して、排気ガスＧａに含まれている、燃料電池１０で消費されなかった不純物などを燃焼し、その後の排気ガスＧａ２を燃料改質器１６、空気予熱器１７及び貯湯タンク１８に送り、排気ガスＧａ２で燃料改質器１６、空気予熱器１７及び貯湯タンク１８を暖めてその排熱を回収している。
【００３２】
この燃料電池１０の定格発電時では、燃料電池１０の各単体セルにおいて、空気極に供給された空気Ａ中の酸素が酸素イオン（Ｏ2-）に分解し、この酸素イオン（Ｏ2-）が電解質を経由して燃料極に移動する。燃料極で酸素イオン（Ｏ2-）は水素と電気化学的に反応して水を生成する。このときに放出される電子（2e-）によって発電する（Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋2e-）。
【００３３】
発電時に生成される水は、上記の化学反応による発熱を伴う高温の水蒸気であり、燃料電池１０からの排気ガスＧａ１の一部として、燃料電池１０より排出される。この排気ガスＧａ１には、水蒸気の他に、未化学反応分の空気及び水素、燃料改質器１６により改質されなかった燃料等が含まれるが、これらの水蒸気以外の成分については、燃料電池１０より下流側でかつ燃料改質器１６より上流側に配設される燃焼器１５での燃焼により、二酸化炭素、二酸化窒素、水蒸気等になる。
【００３４】
なお、燃料改質器１６の温度は、燃料Ｆを水素Ｈに改質するのに最適な温度、例えば、５００〜６００℃程度に維持するのが好ましく、また、空気予熱器１７の温度は４００〜５００℃程度に維持するのが好ましい。なお、燃料電池１０として固体酸化物形の燃料電池を用いる場合は、通常は、燃料Ｆとして主に都市ガスが用いられる。
【００３５】
そして、図５に示すように、燃料電池発電システム１Ｘの起動時には、この起動用燃焼装置１１にブロワ１２からの空気Ａｓにより、燃料タンク１３から圧力調整弁１４経由でサプライポンプ１９により供給された燃料Ｆｓを燃焼させて、その燃焼ガスＧｂ１を燃料電池１０に供給することで、燃料電池１０を発電可能な温度、例えば、７００℃〜８００℃程度まで昇温させる。そして、燃料電池１０から排出される燃焼ガスＧｂ２は、燃料改質器１６、空気予熱器１７及び貯湯タンク１８に送られ、これらの装置１６〜１８を暖めてその排熱を回収される。なお、図４及び図５では、燃焼ガスＧｂ２を燃焼器１５を迂回させているが、燃焼器１５を通過する構成にしてもよい。この場合燃焼器１５では燃焼しないでそのまま燃焼ガスＧｂ２を通過させる。
【００３６】
そして、図１及び図２に示すように、本発明に係る燃料電池発電システム１は、上述した従来技術に係る燃料電池発電システム１Ｘを基に、燃料電池発電システム１の起動時に燃料電池１０に供給する燃焼ガスＧｂ１を発生させる起動用燃焼装置１１に加えて、燃料電池１０から排出される燃焼ガスＧｂ２の一部の還流ガスＧｂ３を燃料改質器１６より下流側から起動用燃焼装置１１に還流する還流通路２１を設ける。なお、図１では、燃料改質器１６と空気予熱器１７との間から還流通路２１を分岐し、図２では、空気予熱器１７の下流側から還流通路２１を分岐している。
【００３７】
それと共に、還流通路２１に流す還流ガスＧｂ３の流量を調整する流量調整弁２２と、燃料電池１０に流入する燃焼ガスＧｂ１の温度Ｔ１または起動用燃焼装置１１に還流する還流ガスＧｂ３の温度Ｔ２に基づいて、起動用燃焼装置１１に供給する燃料量と、起動用燃焼装置１１に供給する空気量と、還流通路２１に流す還流ガスＧｂ３の流量とを制御する燃焼ガス温度制御手段を設ける。この燃焼ガス温度制御手段は、通常、燃料電池発電システム１を制御する制御装置に設けられる。
【００３８】
また、燃料電池１０に流入する燃焼ガスＧｂ１の温度Ｔ１を計測するための第１温度センサ２３と、起動用燃焼装置１１に還流する還流ガスＧｂ３の温度Ｔ２を計測するための第２温度センサ２４とのいずれか又は両方を設ける。
【００３９】
そして、燃料電池発電システム１の起動時に、起動用燃焼装置１１で燃料電池１０に供給する燃焼ガスＧｂ１を発生させて、燃料電池１０から排出される燃焼ガスＧｂ２の一部の還流ガスＧｂ３を燃料改質器１６より下流側から起動用燃焼装置１１に還流すると共に、燃料電池１０に流入する燃焼ガスＧｂ１の温度Ｔ１または起動用燃焼装置１１に還流する還流ガスＧｂ３の温度Ｔ２に基づいて、起動用燃焼装置１１に供給する燃料量と、起動用燃焼装置１１に供給する空気量と、還流する還流ガスＧｂ３の流量とを制御し、燃料電池１０に流入する燃焼ガスＧｂ１の温度Ｔ１が、９００℃以上、１１００℃以下の範囲の温度、好ましくは１０００℃の目標温度Ｔ１ｔを維持するようにフィードバック制御する。
【００４０】
例えば、最初に、還流する還流ガスＧｂ３の流量を還流しても起動用燃焼装置１１で燃料を燃焼可能な範囲で最大になるように設定する。なお、この流量は予め実験や数値計算により求めておく。次の燃料量とこの燃料量に対する空気量を予め設定しておき、燃料量の増加により燃焼ガスＧｂ１の温度Ｔ１を高くし、燃料量の減少により燃焼ガスＧｂ１の温度Ｔ１を低くする。これにより、燃焼ガスＧｂ１の温度Ｔ１が目標温度Ｔ１ｔになるように、燃焼ガスＧｂ１の温度Ｔ１に対して燃料量及び空気量を増減するというフィードバック制御をする。
【００４１】
なお、還流ガスＧｂ３の温度Ｔ２に基づいて、燃料量及び空気量を増減するというフィードバック制御をする場合には、予め、還流ガスＧｂ３の温度Ｔ２と燃焼ガスＧｂ１の温度Ｔ１の関係を実験や数値計算等により求めておき、還流ガスＧｂ３の温度Ｔ２の目標温度Ｔ２ｔを設定し、この目標温度Ｔ２ｔに還流ガスＧｂ３の温度Ｔ２がなるように、還流ガスＧｂ３の温度Ｔ２に対して燃料量及び空気量を増減するというフィードバック制御をすればよい。
【００４２】
そして、図２に示すように、燃料改質器１６より下流側に設けた空気予熱器１７より下流側から還流通路２１を分岐して設けた場合には、起動時において空気予熱器１７を加熱しているので、起動後の定格発電時に、燃料電池１０に供給する空気Ａと燃料電池１０から排出される排気ガスＧａ２の温度差を小さくすることができ、燃料電池１０内の部品、特に、陶器製の部品の温度差に起因する破損を防止することができる。
【００４３】
なお、貯湯タンク１８により、起動用燃焼装置１１に還流しない残りの燃焼ガスＧｂ４（＝Ｇｂ２−Ｇｂ３）の排熱の一部を回収してもよい。
【００４４】
そして、本発明に係る燃料電池発電システム１における、起動後の定格発電時の径路とその運転方法は、従来技術に係る燃料電池発電システム１Ｘ（図４参照）と同様である。また、本発明の実施の形態の車両は、本発明の実施の形態の燃料電池発電システムを搭載した車両である。
【００４５】
上記の燃料電池発電システム１、この燃料電池発電システム１を備えた車両、及び、燃料電池発電システムの起動方法によれば、燃料電池１０を通過した後の燃焼ガスＧｂ２の一部を還流ガスＧｂ３として空気（新気）Ａｓと共に起動用燃焼装置１１に供給し、かつ、燃焼ガス温度制御手段により、起動用燃焼装置１１での燃焼温度を例えば９００℃〜１１００℃程度の一定の温度に維持して燃料電池１０内の金属部品等の破損を防止しながら、起動用燃焼装置１１に還流する還流ガスＧｂ３中に含まれる酸素を高温の酸化剤として有効に利用して起動用燃焼装置１１での燃焼を促進して、少ない燃料Ｆｓで高温の燃焼ガスＧｂ１を燃料電池に供給することができる。これにより、燃料電池１０を発電可能な温度まで昇温させるために必要な起動エネルギー、すなわち、燃料電池１０の起動開始から起動完了までの間における燃料消費量を削減することができる。
【００４６】
また、燃料電池１０を通過した後の燃焼ガスＧｂ２の一部を還流ガスＧｂ３として、燃料改質器１６より下流側から還流通路２１を経由して起動用燃焼装置１１に還流するので、燃料電池１０と共に燃料改質器１６も燃料Ｆを改質できる温度に加熱することができる。そのため、燃料電池１０が発電可能な温度まで昇温して発電用の経路に切り替える時点では、既に燃料改質器１６も昇温しているので、効率よく発電できる。
【００４７】
更に、燃焼ガス温度制御手段により、燃料電池１０に流入する燃焼ガスＧｂ１の温度Ｔ１または起動用燃焼装置１１に還流する還流ガスＧｂ３の温度Ｔ２に基づいて、起動用燃焼装置１１に供給する燃料量と、起動用燃焼装置１１に供給する空気量と、還流通路２１に流す還流ガスＧｂ３の流量とを制御することができるので、効率よく燃料を節約すると共に、起動用燃焼装置１１で発生する燃焼ガスＧｂ１の温度Ｔ１の上昇を抑制しながら燃料電池１０を昇温できるので、燃料電池発電システム１の起動時における、燃料電池１０内の金属部品等の高熱による破損を回避できる。
【００４８】
図３に、起動時の燃焼ガスＧｂ２に対する還流ガスＧｂ３の割合（＝Ｇｂ３／Ｇｂ２）を示す燃焼ガスの再循環率Ｃと、還流しない場合の燃料消費量に対する、再循環率Ｃで還流した場合の燃料消費量の削減率Ｒの関係を計算で求めた結果を示す。この排気ガスの再循環率Ｃは、燃焼ガスＧｂ２の流量や還流ガスＧｂ３に含まれる酸素の濃度に基づいて計算されている。
【００４９】
この図３によれば、排気ガスの再循環率Ｃを１０％〜８０％とした場合に、燃料消費量の削減率Ｒは５％〜３０％となる。しかし、この排気ガスの再循環率Ｃには、燃焼ガスＧｂ１及び還流ガスＧｂ３の流量の過剰な増大防止や、還流ガスＧｂ３中の酸素濃度の過剰な低下を防止する必要性から上限があり、その上限は７０〜９０％程度となる。
【００５０】
なお、図３では、排気ガスの再循環率Ｃと燃料消費量の削減率Ｒは線形の比例関係となっているが、この計算では熱損失を考慮しておらず、熱損失を考慮すると、排気ガスの再循環率Ｃと燃料消費量の削減率Ｒは必ずしも、図３に示すような線形の比例関係とはならない。
【００５１】
本発明の燃料電池発電システム１、この燃料電池発電システム１を備えた車両及び燃料電池発電システムの起動方法によれば、燃料電池発電システム１の起動時に、燃料電池１０内の金属部品等の高熱による破損を回避しつつ、起動用燃焼装置１１で発生して燃料電池１０に送られる燃焼ガスＧｂ１が有する熱量及び酸素を有効利用することで、燃料電池１０を発電可能な温度まで昇温させる際に必要な燃料Ｆｓの消費量を著しく低減することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１、１Ｘ  燃料電池発電システム
１０  燃料電池
１１  起動用燃焼装置
１２  ブロワ
１３  燃料タンク
１４  圧力調整弁
１５  燃焼器
１６  燃料改質器
１７  空気予熱器
１８  貯湯タンク
１９  サプライポンプ
２１  還流通路
２２  流量調整弁
２３  第１温度センサ
２４  第２温度センサ
Ａ、Ａｓ  空気（新気）
Ｆ、Ｆｓ  燃料
Ｇｂ１  燃焼ガス
Ｇｂ２  燃料電池からの燃焼ガス
Ｇｂ３  還流ガス
Ｇｂ４  残りの排気ガス（Ｇｂ２−Ｇｂ３）
Ｈ  水素
【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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