(57)【要約】【課題】燃料電池システムの緊急停止後の再起動工程におけるアノードの還元による燃料電池の性能の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池１０６と、改質器１０５と、原料ガス供給器１０１と、水供給器１０４、空気供給器１０３および酸化剤ガス供給器１０９の少なくとも一つと、制御器２００と、を備え、制御器は、燃料電池システムが緊急停止した後に起動する再起動工程において、水供給器および空気供給器のうち少なくとも一方を制御して、水素含有ガスに含まれる水素の濃度を通常起動工程における水素含有ガスに含まれる水素の濃度よりも減少させる制御、および、水供給器、空気供給器、および酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つを制御して、燃料電池の温度上昇を通常起動工程における燃料電池の温度上昇よりも抑制する制御、のうち少なくとも一方の制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
原料ガスを改質して前記水素含有ガスを生成し、前記水素含有ガスを前記燃料電池のアノードに供給する改質器と、
前記改質器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給器と、
前記改質器に改質水を供給する水供給器、前記改質器に空気を供給する空気供給器、および前記燃料電池のカソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つと、
制御器と、を備え、
前記制御器は、燃料電池システムが緊急停止した後に起動する再起動工程において、前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を制御して、前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度を、前記燃料電池システムが通常停止した後の通常起動工程における前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度よりも減少させる制御、および、
前記水供給器、前記空気供給器、および前記酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つを制御して、前記燃料電池の温度上昇を前記通常起動工程における前記燃料電池の温度上昇よりも抑制する制御、のうち少なくとも一方の制御を行う、燃料電池システム。
【請求項２】
前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を備え、
前記制御器は、前記再起動工程において、前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を制御して、前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度を、前記通常起動工程における前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度よりも減少させる制御を行う、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記再起動工程において、前記水供給器、前記空気供給器、および前記酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つを制御して、前記燃料電池の温度上昇を前記通常起動工程における前記燃料電池の温度上昇よりも抑制する制御を行う、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記再起動工程において、前記水供給器を制御して、前記改質水の供給量を前記通常起動工程における前記改質水の供給量よりも増加させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記再起動工程において、前記空気供給器を制御して、前記空気の供給量を前記通常起動工程における前記空気の供給量よりも増加させる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御器は、前記再起動工程において、前記酸化剤ガス供給器を制御して、前記酸化剤ガスの供給量を増加させる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御器は、前記再起動工程において、さらに、前記原料ガス供給器を制御して、前記原料ガスの供給量を一定に保つ、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御器は、前記再起動工程において、前記燃料電池の温度が前記燃料電池のアノードが還元される温度であるときに、
前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を制御して、前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度を前記通常起動工程における前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度よりも減少させる制御、および、
前記水供給器、前記空気供給器、および前記酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つを制御して、前記燃料電池の温度上昇を前記通常起動工程における前記燃料電池の温度上昇よりも抑制する制御、のうち少なくとも一方の制御を行う、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
原料ガスを改質して前記水素含有ガスを生成し、前記水素含有ガスを前記燃料電池のアノードに供給する改質器と、
前記改質器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給器と、
前記改質器に改質水を供給する水供給器、前記改質器に空気を供給する空気供給器、および前記燃料電池のカソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムが緊急停止した後に起動する再起動工程において、前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を制御して、前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度を、前記燃料電池システムが通常停止した後の通常起動工程における前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度よりも減少させる工程、および、
前記水供給器、前記空気供給器、および前記酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つを制御して、前記燃料電池の温度上昇を前記通常起動工程における前記燃料電池の温度上昇よりも抑制する工程、のうち少なくとも一方の工程を含む、燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を備え、
前記再起動工程において、前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を制御して、前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度を、前記通常起動工程における前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度よりも減少させる制御を行う、請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
前記再起動工程において、前記水供給器、前記空気供給器、および前記酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つを制御して、前記燃料電池の温度上昇を前記通常起動工程における前記燃料電池の温度上昇よりも抑制する制御を行う、請求項９または１０に記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質器を備えた燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池を備えたシステムは、発電時に例えば５００℃〜９００℃の高温に保持され、システムの停止後に徐々に冷却される。この冷却過程において、ガスおよび水蒸気の温度の低下に伴い、システムの内圧が低下する。このため、開放系のシステムでは燃料電池のアノードに繋がる水素含有ガス経路に空気が侵入し、アノードが劣化してしまう。これを防止するため、システムが通常に停止した場合には、アノードが所定の温度に冷却するまで、水素含有ガスをアノードに供給している。
【０００３】
ただし、自然災害等、ガスおよび水の供給の停止、ならびに停電などによって、システムが緊急に停止した場合には、アノードが冷却するまで水素含有ガスをアノードに供給することができない。このため、水素含有ガス経路に進入した空気により、アノードとして一般的に使用されるニッケル（Ｎｉ）が酸化して膨張すると共に熱を発生する。そして、緊急停止後の起動時には、供給された水素含有ガスによってアノードのＮｉが還元されて収縮すると共に、還元剤として作用する水素が酸化され水蒸気になると同時に熱を発生する。
【０００４】
このようなアノードの膨張および収縮、ならびに発熱によってアノードおよびこれに接する電解質に応力が作用する。これにより、電解質が破損したり、電解質とアノードとの間で剥離が生じたりする。また、アノードで発熱する際、アノードのＮｉの凝集による有効電極面積が低下する。
【０００５】
これに対し、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池セルの燃料ガス流路が燃料ガス供給ラインにより改質器に接続されている。そして、改質器で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給ラインを介して燃料ガス流路に供給される。このような燃料電池システムが緊急に停止した後の起動時には、燃料ガス供給ラインに設けられた燃料ガス供給装置によって、燃料電池に供給される燃料ガスの供給量を減少させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２０１２−０８６７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明のある態様は、燃料電池システムの緊急停止後の再起動工程におけるアノードの還元による燃料電池の性能の低下を抑制することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様に係る燃料電池システムは、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、原料ガスを改質して前記水素含有ガスを生成し、前記水素含有ガスを前記燃料電池のアノードに供給する改質器と、前記改質器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給器と、前記改質器に改質水を供給する水供給器、前記改質器に空気を供給する空気供給器、および前記燃料電池のカソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つと、制御器と、を備え、前記制御器は、燃料電池システムが緊急停止した後に起動する再起動工程において、前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を制御して、前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度を、前記燃料電池システムが通常停止した後の通常起動工程における前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度よりも減少させる制御、および、前記水供給器、前記空気供給器、および前記酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つを制御して、前記燃料電池の温度上昇を前記通常起動工程における前記燃料電池の温度上昇よりも抑制する制御、のうち少なくとも一方の制御を行う。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの緊急停止後の再起動工程におけるアノードの還元による燃料電池の性能の低下を抑制することができるという効果を奏する。
【００１０】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池用システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】図２の方法で制御された燃料電池の温度、改質水の流量および水素の濃度を示すグラフである。
【図４】第２実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】図４の方法で制御された燃料電池の温度、空気の流量および水素の濃度を示すグラフである。
【図６】第３実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図７】第４実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図８】図７の方法で制御された燃料電池の温度、改質水の流量および酸化剤ガスの流量を示すグラフである。
【図９】第４実施形態の変形例に係る燃料電池システムの制御方法の一例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】
【００１２】
発明者らは、特許文献１の燃料電池システムにおいて鋭意検討し、以下の知見を得た。
【００１３】
すなわち、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料ガスの供給量（体積流量）を減少させることにより、燃料ガス流路における燃料ガスの流速が遅くなる。しかしながら、燃料ガスが供給された範囲では、燃料ガスの供給量を減少させていない時と同様に、アノードが還元されて収縮すると共に発熱する。そして、燃料ガスが供給された範囲は徐々に広がり、アノードの還元による収縮および発熱は進行する。よって、特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、電解質の破損、アノードの剥離およびアノードの有効電極面積の低下などの燃料電池の性能の低下を抑制することはできないという課題を発見した。
【００１４】
そこで、本発明の実施の第１態様に係る燃料電池システムは、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、原料ガスを改質して前記水素含有ガスを生成し、前記水素含有ガスを前記燃料電池のアノードに供給する改質器と、前記改質器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給器と、前記改質器に改質水を供給する水供給器、前記改質器に空気を供給する空気供給器、および前記燃料電池のカソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つと、制御器と、を備え、前記制御器は、燃料電池システムが緊急停止した後に起動する再起動工程において、前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を制御して、前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度を、前記燃料電池システムが通常停止した後の通常起動工程における前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度よりも減少させる制御、および、前記水供給器、前記空気供給器、および前記酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つを制御して、前記燃料電池の温度上昇を前記通常起動工程における前記燃料電池の温度上昇よりも抑制する制御、のうち少なくとも一方の制御を行う。
【００１５】
この構成によれば、水素含有ガスに含まれる水素の濃度を低減したり、燃料電池の温度上昇を抑制したりする。これにより、アノードの還元反応を抑制でき、アノードの還元による燃料電池の性能の低下を抑制することができる。
【００１６】
本発明の実施の第２態様に係る燃料電池システムでは、第１の態様において、前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を備え、前記制御器は、前記再起動工程において、前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を制御して、前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度を、前記通常起動工程における前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度よりも減少させる制御を行ってもよい。これにより、水素含有ガスに含まれる、水蒸気、または、空気中の酸素が消費された後に残存する窒素の量が増えるため、水素含有ガスに含まれる水素の濃度が低下する。
【００１７】
本発明の実施の第３態様に係る燃料電池システムでは、第１または第２の態様において、前記制御器は、前記再起動工程において、前記水供給器、前記空気供給器、および前記酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つを制御して、前記燃料電池の温度上昇を前記通常起動工程における前記燃料電池の温度上昇よりも抑制する制御を行ってもよい。これにより、燃料電池全体、ひいてはアノードが冷却される。このため、アノードの還元反応速度、および還元反応にともなう発熱によるアノードの温度上昇速度を抑制することができる。これにより、急激な温度上昇による応力を抑制でき、電解質とアノードとの剥離および電解質の破損も抑制でき、燃料電池の性能低下を抑制できる。また、温度上昇の抑制により、アノードのシンタリングも抑制され、有効電極面積低下による性能低下を抑制できる。
【００１８】
本発明の実施の第４態様に係る燃料電池システムでは、第１〜第３のいずれかの態様において、前記制御器は、前記再起動工程において、前記水供給器を制御して、前記改質水の供給量を前記通常起動工程における前記改質水の供給量よりも増加させてもよい。これにより、水素含有ガスに含まれる水蒸気の量が増えるため、水素含有ガスに含まれる水素の濃度が低下する。また、アノードに供給されるガスの量が増え、燃料電池の温度上昇が抑制される。
【００１９】
本発明の実施の第５態様に係る燃料電池システムでは、第１〜第４のいずれかの態様において、前記制御器は、前記再起動工程において、前記空気供給器を制御して、前記空気の供給量を前記通常起動工程における前記空気の供給量よりも増加させてもよい。これにより、水素含有ガスに含まれる、空気中の酸素が消費された後に残存する窒素の量が増えるため、水素含有ガスに含まれる水素の濃度が低下する。また、アノードに供給されるガスの量が増え、燃料電池の温度上昇が抑制される。
【００２０】
本発明の実施の第６態様に係る燃料電池システムでは、第１〜第５のいずれかの態様において、前記制御器は、前記再起動工程において、前記酸化剤ガス供給器を制御して、前記酸化剤ガスの供給量を増加させてもよい。これにより、酸化剤ガスによりカソードを介して燃料電池全体、ひいてはアノードが冷却されるため、アノードの還元反応を抑制することができる。
【００２１】
本発明の実施の第７態様に係る燃料電池システムでは、第１〜第６のいずれかの態様において、前記制御器は、前記再起動工程において、さらに、前記原料ガス供給器を制御して、前記原料ガスの供給量を一定に保ってもよい。これにより、水素含有ガス中の水素の量が低下しないため、燃料電池に必要な量の水素を供給することができる。
【００２２】
本発明の実施の第８態様に係る燃料電池システムでは、第１〜第７のいずれかの態様において、前記制御器は、前記再起動工程において、前記燃料電池の温度が前記燃料電池のアノードが還元される温度であるときに、前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を制御して、前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度を前記通常起動工程における前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度よりも減少させる制御、および、前記水供給器、前記空気供給器、および前記酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つを制御して、前記燃料電池の温度上昇を前記通常起動工程における前記燃料電池の温度上昇よりも抑制する制御、のうち少なくとも一方の制御を行ってもよい。これにより、アノードが還元される温度にあるときには、水素含有ガスに含まれる水素の濃度を低下させ、アノードの還元による燃料電池の性能の低下を抑制することができる。一方、アノードが還元される温度でないときには、水蒸気の気化熱の増加および燃料電池の温度上昇速度の低下を抑制して、エネルギ効率の低下を抑制することができる。
【００２３】
本発明の実施の第９態様に係る燃料電池システムの制御方法は、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、原料ガスを改質して前記水素含有ガスを生成し、前記水素含有ガスを前記燃料電池のアノードに供給する改質器と、前記改質器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給器と、前記改質器に改質水を供給する水供給器、前記改質器に空気を供給する空気供給器、および前記燃料電池のカソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムが緊急停止した後に起動する再起動工程において、前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を制御して、前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度を、前記燃料電池システムが通常停止した後の通常起動工程における前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度よりも減少させる工程、および、前記水供給器、前記空気供給器、および前記酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つを制御して、前記燃料電池の温度上昇を前記通常起動工程における前記燃料電池の温度上昇よりも抑制する工程、のうち少なくとも一方の工程を含む。
【００２４】
本発明の実施の第１０態様に係る燃料電池システムの制御方法は、第９の態様において、前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を備え、前記再起動工程において、前記水供給器および前記空気供給器のうち少なくとも一方を制御して、前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度を、前記通常起動工程における前記水素含有ガスに含まれる水素の濃度よりも減少させる制御を行ってもよい。
【００２５】
本発明の実施の第１１態様に係る燃料電池システムの制御方法は、第９または１０の態様において、前記再起動工程において、前記水供給器、前記空気供給器、および前記酸化剤ガス供給器のうち少なくとも一つを制御して、前記燃料電池の温度上昇を前記通常起動工程における前記燃料電池の温度上昇よりも抑制する制御を行ってもよい。
【００２６】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２７】
（第１実施形態）
第１実施形態に係る燃料電池システム１００について、図１を参照して説明する。燃料電池システム１００は、原料ガス供給器１０１、空気供給器１０３、水供給器１０４、改質器１０５、燃料電池１０６、酸化剤ガス供給器１０９および制御器２００を備える。燃料電池システム１００は、温度検知器１０７および燃焼器１０８をさらに備えていてもよい。
【００２８】
原料ガス供給器１０１は、改質器１０５に原料ガスを供給する。具体的には、原料ガス供給器１０１は、原料経路により原料供給源（図示せず）に接続されており、原料供給源から所定の圧力で原料が供給される。原料供給源としては、たとえば、原料ボンベおよび原料インフラなどが例示される。
【００２９】
原料ガス供給器１０１は、原料ガス経路により改質器１０５に接続されており、改質器１０５に供給される原料ガスの流量を調整する機能を有し、この調整は制御器２００により行われる。原料ガス供給器１０１は、たとえば、昇圧器および流量調整弁によって構成されているが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器には、たとえば、定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
【００３０】
原料ガスとしては、たとえば、ＬＰＧガス、プロパンガス、ブタンガスあるいはメタンを主成分とする都市ガス等の有機化合物を含むガス、または、液体原料を気化したガスが例示される。液体原料としては、たとえば、灯油またはアルコールなどが例示される。液体原料は、改質器１０５に供給される前に加熱などによって気化される。
【００３１】
水供給器１０４は、改質器１０５に水（改質水）を供給する。具体的には、水供給器１０４は水経路により改質器１０５と接続されている。水供給器１０４は、改質水の供給量を調整する機能を有し、この調整は制御器２００により行われる。水供給器１０４は、たとえば、定量吐出が可能なプランジャーポンプなどで構成される。
【００３２】
空気供給器１０３は、改質器１０５に空気を供給する。具体的には、空気供給器１０３は、空気経路により改質器１０５に接続されている。空気供給器１０３は、空気の供給量を調整する機能を有し、この調整は制御器２００により行われる。空気供給器１０３は、たとえば、昇圧器および流量調整弁により構成される。なお、空気供給器１０３は、昇圧器および流量調整弁のいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、たとえば、定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
【００３３】
改質器１０５は、原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する。この改質反応には、たとえば、水蒸気改質法、部分酸化法、および、水蒸気改質法と部分酸化法とを併用した自己熱改質法などが用いられる。水蒸気改質法では、原料ガスを水蒸気と反応させて、水素を生成する。部分酸化法では、原料ガスを空気で酸化させて、水素を生成する。自己熱改質法では、原料ガスの一部を空気で酸化させ、その発熱により残りの原料ガスを水蒸気と反応させて、水素を生成する。なお、図示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。たとえば、水蒸気改質法を用いた改質反応では、改質器１０５に供給される水を気化させる気化器が水経路に設けられる。
【００３４】
改質器１０５は、改質触媒が充填された容器を備えている。改質触媒としては、たとえば、ニッケル、ルテニウム、白金、パラジウム、ならびにロジウムのうち少なくとも一つを含浸したアルミナ担体が例示される。なお、改質触媒は、本例に限定されるものではなく、改質触媒を最適な温度範囲に維持した場合に改質反応を進行させ得る触媒であれば、いかなる材料であっても構わない。なお、改質器１０５の温度を検知する検知器が設けられていてもよい。また、燃料電池１０６の温度を検知する温度検知器１０７による検出値に基づいて改質器１０５の温度を求めてもよい。
【００３５】
燃料電池１０６は、水素含有ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する。具体的には、燃料電池１０６は、複数の単セルが直列に接続されたスタックを備え、単セルは、アノード１０６ａ、カソード１０６ｂ、および、これらの間に設けられた電解質（図示せず）により構成されている。アノード１０６ａは、たとえば、ニッケル（Ｎｉ）を含んでいる。アノード１０６ａは水素含有ガス経路によって改質器１０５に接続され、アノード１０６ａに改質器１０５から水素含有ガスおよび水蒸気が供給される。カソード１０６ｂは酸化剤ガス経路によって酸化剤ガス供給器１０９に接続され、カソード１０６ｂに酸化剤ガス供給器１０９から酸化剤ガスが供給される。
【００３６】
燃料電池１０６としては、いずれの種類であっても良く、たとえば、固体酸化物形燃料電池、および炭酸溶融塩形燃料電池などが例示される。なお、燃料電池１０６が、固体酸化物形燃料電池である場合、改質器１０５と燃料電池１０６とが１つの容器内に内蔵されるように構成される。
【００３７】
燃料電池１０６が端子（図示せず）を介して外部負荷に接続されている場合、発電により得られた電力が外部負荷に供給される。外部負荷としては、たとえば、携帯電話等の無線基地局を構成する装置、および家庭用燃料電池システム、エネファームなどが例示される。
【００３８】
温度検知器１０７は、燃料電池１０６のアノード１０６ａの温度、特にアノード１０６ａの温度を検知するセンサである。温度検知器１０７は、アノード１０６ａに設けられており、アノード１０６ａの温度を直接的に検知するものであってもよい。または、温度検知器１０７は、アノード１０６ａを含むスタックまたは燃料電池１０６、あるいは、アノード１０６ａに接続される水素含有ガス経路などに設けられ、この温度に基づいてアノード１０６ａの温度を求めるためのものであってもよい。温度検知器１０７は、たとえば、燃料電池１０６の上流部の温度を検知し、この検知温度をアノード１０６ａの上流部の温度として制御器２００に出力する。
【００３９】
原料ガス経路および水素含有ガス経路により可燃性ガス経路が構成され、この可燃性ガス経路に流量検知器（図示せず）が設けられていてもよい。この流量検知器により燃料電池１０６のアノード１０６ａに供給される水素含有ガスの流量が検知される。
【００４０】
酸化剤ガス供給器１０９は、燃料電池１０６のカソード１０６ｂに酸化剤ガスを供給する。具体的には、酸化剤ガス供給器１０９は酸化剤ガス経路によりカソード１０６ｂに接続され、酸化剤ガスは酸化剤ガス供給器１０９からカソード１０６ｂに供給される。酸化剤ガス供給器１０９は、酸化剤ガスを送出する流量を調整する機能を有し、この調整は制御器２００により行われる。酸化剤ガスとしては、たとえば、空気や酸素などが挙げられる。酸化剤ガス供給器１０９としては、たとえば、空気を送風するファンやブロアなどの送風機、酸素ボンベなどが例示される。
【００４１】
燃料電池１０６は排ガス経路に接続されていてもよく、排ガス経路の下流端が大気開放されていてもよい。この排ガス経路に燃焼器１０８が設けられていてもよい。排ガスは可燃性ガスを含んでおり、この可燃性ガスとしては、たとえば、改質器１０５により改質されなかった原料ガス、および、燃料電池１０６の発電で使用されなかった水素含有ガス(オフガス)などである。排ガスは、排ガス経路を介して燃焼器１０８に供給される。燃焼器１０８は、オフガスを燃焼して、燃焼排ガスを排ガス経路により燃料電池システム１００から排出される。この燃焼熱および燃焼排ガスの熱を用いて燃料電池１０６および改質器１０５が加熱される。また、燃焼器１０８と共に、または、燃焼器１０８に代えて、改質器１０５および燃料電池１０６を加熱するヒータをこれらの周辺に設けていてもよい。
【００４２】
制御器２００は、燃料電池システム１００の各構成を制御する。たとえば、制御器２００は、燃料電池システム１００が緊急停止した後に起動する工程（再起動工程）において、水素含有ガスに含まれる水素の濃度を、燃料電池システム１００が通常停止した後の起動工程（通常起動工程）における水素含有ガスに含まれる水素の濃度よりも減少させるように、水供給器１０４および空気供給器１０３の少なくとも一方を制御するよう構成されている。
【００４３】
制御器２００は、制御機能を有するものであれば、どのような構成でも構わない。たとえば、制御器２００は演算処理部（図示せず）および記憶部２０１を備え、演算処理部としてはＭＰＵ、ＣＰＵが例示され、記憶部２０１としてはメモリーが例示される。記憶部２０１は、制御プログラムを記憶すると共に、前回の停止が通常停止および緊急停止のいずれであったかの情報を記憶する。制御器２００は、集中制御を行う単独の制御器２００で構成されていても構わないし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器２００で構成されていても構わない。ここで緊急停止とは、水、ガス、空気の少なくとも、うち１つが燃料電池システム１００に供給不可となり、燃料電池システム１００が運転停止されることである。
【００４４】
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の起動工程における制御方法を、図２および図３を参照して説明する。この制御方法は、制御器２００により制御される。なお、図３の上図において、破線は、通常起動工程における燃料電池１０６の上流部の温度を示し、実線は、再起動工程における燃料電池１０６の上流部の温度を示す。図３の中図において、破線は、通常起動工程における改質水の流量を示し、実線は、再起動工程における改質水の流量を示す。図３の下図において、実線は、再起動工程における水素含有ガス中の水素の濃度を示す。また、ここでは、自己熱改質法の改質反応について説明するが、水蒸気改質法および部分酸化法を用いた改質反応でも同様の制御を行うため、その説明は省略する。
【００４５】
まず、起動指令が出力されると、制御器２００は、通常の起動制御を行う（ステップＳ１）。たとえば、図３の上図に示すように、燃焼器１０８または／およびヒータにより燃料電池１０６および改質器１０５を加熱する。その後、図３の上図に示す時間ｔ１において、部分酸化法による改質反応が開始する所定の温度に改質器１０５が達すると、制御器２００は空気供給器１０３を制御して、空気を改質器１０５に供給する。
【００４６】
それから、図３の中図に示す時間ｔ２において、水蒸気改質法による改質反応が開始する所定の温度に改質器１０５が達すると、改質器１０５に水供給器１０４から改質水を供給させる。この際、改質水が供給される流量（改質水の供給量）は、原料ガス中の炭素原子に対する水蒸気の所定のモル比Ｓ／Ｃ(スチーム／カーボン比)になるように設定される。所定のＳ／Ｃは、炭素析出、および、改質水の気化熱を考慮して、通常、２〜３に設定される。この実施形態では、Ｓ／Ｃ＝２．５に設定され、たとえば、２．８ｃｃ／ｍｉｎの流量の改質水が改質器１０５に供給される。これにより、水蒸気改質法による改質反応が開始し、たとえば、改質器１０５の出口における水素含有ガスに占める水蒸気の濃度が２８％になり、図３の下図に示すように、水素含有ガスに占める水素の濃度が５０％を超える。なお、原料ガスの流量は、原料ガス供給器１０１により制御され、Ｓ／Ｃおよび燃料電池１０６の発電電力などに基づき予め設定されている。
【００４７】
また、制御器２００は、前回の停止状態を記憶部２０１の情報から判定する（ステップＳ２）。たとえば、ユーザによる操作または所定の制御により燃料電池システム１００の停止指示が出力されると、通常停止として記憶部２０１に記憶される。この場合、燃料電池１０６の停止後に、燃料電池１０６のアノード１０６ａに水素含有ガスまたは不活性ガスが所定の時間、または、所定の温度に低下するまで供給される。
【００４８】
このようなアノード１０６ａへの水素含有ガスなどの供給により、アノード１０６ａの酸化が防止されており、アノード１０６ａの還元を抑制する必要がない。このため、制御器２００は、記憶部２０１に記憶された前回の停止状態に基づき前回の停止が通常停止と判定し（ステップＳ２：ＮＯ）、通常の起動制御を続行する。そして、図３の上図に示すｔ５において、温度検出器の検知温度に基づき燃料電池１０６の温度が所定温度（たとえば、６５０℃）に達すると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、燃料電池システム１００の起動工程が終了する。
【００４９】
一方、自然災害等によるガスや水の供給が停止されたとき、および装置の故障などによって原料ガスおよび電気などの供給が停止すると、緊急停止が記憶部２０１に記憶される、または、通常停止が記憶部２０１に記憶されない。このため、このような前回の停止状態に関する記憶部２０１の情報に基づいて制御部は前回の停止が緊急停止と判定する（ステップＳ２、ＹＥＳ）。
【００５０】
この場合、燃料電池１０６の停止後に、燃料電池１０６のアノード１０６ａに水素含有ガスなどが十分に供給されない。このため、燃料電池システム１００における各種ガスが低温化するのにともない体積収縮および水蒸気の凝縮により内圧が低下し、空気が排気ラインからアノード１０６ａに侵入する。よって、アノード１０６ａのＮｉが酸化されて膨張する。
【００５１】
そして、緊急停止後にユーザによる操作または所定の制御により燃料電池システム１００が起動されると、アノード１０６ａに水素含有ガスが供給される。この水素含有ガスによりアノード１０６ａのＮｉが還元されて、収縮すると共に、発熱する。このような、膨張および収縮による応力によって電解質の破損および剥離が生じ、また、発熱によってアノード１０６ａのシンタリングに伴う電極有効面積が低下する。
【００５２】
よって、緊急停止後の再起動工程には、アノード１０６ａの還元を抑制するための特定の起動制御を行う必要がある。そこで、制御器２００は、温度検知器１０７による検知温度から燃料電池１０６の上流部の温度を求め、この温度が還元開始温度に達しているか否かを判定する（ステップＳ３）。還元開始温度は、下記反応式（１）に示すアノード１０６ａの還元反応が開始する温度であって、実験などにより予め求められ、たとえば、２５０℃である。
【００５３】
ＮｉＯ＋Ｈ2→Ｎｉ＋Ｈ2Ｏ    （１）
図３の上図の時間ｔ３において燃料電池１０６の温度が還元開始温度に達すると（ステップＳ３：ＹＥＳ）、図３の中図に示すように、水供給器１０４を制御して、改質水を増量する（ステップＳ４）。なお、たとえば、改質水の流量を、２．８ｃｃ／ｍｉｎから９．０ｃｃ／ｍｉｎへ増やす。これにより、たとえば、Ｓ／Ｃが２．５から８へ高まる。また、改質器１０５の出口において、水素含有ガスにおける水蒸気の濃度（％）が２８％から５８％へ増加し、図３の下図に示すように、水素含有ガスにおける水素の濃度（％）が５１％から３３％へ低下する。なお、原料ガスの流量は、改質水の増量前の流量から変化させず、再起動工程において一定になるように原料ガス供給器１０１を制御する。
【００５４】
なお、図３においてはＳ／Ｃを２．５から８へ高める例を示した。これに対し、別の例として、Ｓ／Ｃを２．５から２０まで高めると、水素含有ガスにおける水素濃度（％）を５１％から１６％へ低減することができる。
【００５５】
このように、アノード１０６ａに供給される水素含有ガスにおける水素の濃度が低下するため、水素含有ガスが供給された範囲ではアノード１０６ａに接する水素の割合が、改質水の増量前より減少する。よって、アノード１０６ａにおける温度が還元開始温度に達していても、単位面積当たりにおいて水素に還元されるアノード１０６ａの量は、改質水を増量しない状態よりも減る。このため、還元によりアノード１０６ａが収縮する速度が改質水を増量しない状態よりも減少し、急激なアノード１０６ａの還元による収縮によってセルが剥離および損傷を起こすような応力の発生を抑制できる。
【００５６】
また、上記反応式（１）で示す還元反応によるアノード１０６ａの単位時間当たりの発熱量も低下するため、アノード１０６ａの昇温速度が遅くなり、図３の上図の時間ｔ３〜時間ｔ４に示すように、燃料電池１０６の温度上昇が抑制される。よって、アノード１０６ａのシンタリングに伴う電極有効面積の低下が低減されると共に、還元反応の速度増加も抑制される。
【００５７】
そして、制御器２００は燃料電池１０６の温度が還元終了温度に達したか否かを判定する（ステップＳ５）。還元終了温度は、たとえば、上記反応式（１）に示すアノード１０６ａの還元反応が終了する温度であって、実験などにより予め求められ、還元開始温度より所定温度高い温度、たとえば、４００℃である。このように、アノード１０６ａの温度が上昇し、図３の上図に示す時間ｔ４において燃料電池１０６の温度が還元終了温度に達すると（ステップＳ５：ＹＥＳ）、アノード１０６ａの還元反応が終了したと判定される。
【００５８】
よって、図３の中図に示す時間ｔ４において、制御器２００は水供給器１０４を制御して、改質水を減量する（ステップＳ６）。たとえば、改質水の流量を、９．０ｃｃ／ｍｉｎから２．８ｃｃ／ｍｉｎへ戻す。これにより、たとえば、Ｓ／Ｃが８から２．５へ戻り、改質器１０５の出口における水素含有ガス中の水素の濃度（％）が増加する。これにより、通常起動構成と同様の通常の起動制御に戻る。
【００５９】
そして、図３の上図に示すｔ６において、燃料電池１０６の温度が所定温度に達すると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、燃料電池システム１００の起動工程が終了する。
【００６０】
上記構成によれば、再起動工程において、水素含有ガスに含まれる水素の濃度を、通常起動工程よりも減少させる。これにより、アノード１０６ａの還元による収縮速度が水素の濃度を低下させない状態よりも低下するため、アノード１０６ａの膨張および収縮によるアノード１０６ａの損傷などが抑制される。また、アノード１０６ａの還元反応による発熱量が低下するため、アノード１０６ａが局部的に高温になって電極有効面積が低下することが抑制される。この結果、燃料電池システム１００の緊急停止後の再起動工程におけるアノード１０６ａの還元による燃料電池１０６の性能の低下を低減することができる。
【００６１】
また、制御器２００は、再起動工程における改質水の供給量を通常起動工程よりも増加させるように水供給器１０４を制御している。この際、制御器２００は、原料ガスの供給量を一定に保つように原料ガス供給器１０１を制御している。これにより、燃料電池１０６の発電に必要な水素の量を維持したまま、水素含有ガスに占める水素の濃度を低下させることができる。
【００６２】
さらに、再起動工程において、燃料電池１０６の温度が、アノード１０６ａが還元される温度であるときに、水供給器１０４を制御する。つまり、アノード１０６ａの温度が還元開始温度から還元終了温度までの温度範囲にあるとき、改質水を増量している。これにより、アノード１０６ａの供給される水素含有ガス中の水素濃度が低減されるため、アノード１０６ａの還元収縮速度および温度上昇速度を低減でき、アノード１０６ａの劣化を抑制することができる。一方、アノード１０６ａの温度が還元開始温度より低いとき、および、アノード１０６ａの温度が還元温度終了温度より高いときには、改質水が増量されない。このため、改質水の気化熱量の増加および燃料電池１０６の温度上昇速度の低下が抑えられ、エネルギ効率の悪化を抑制することができる。
【００６３】
なお、図２のステップＳ４において改質水を増量することにより、水素含有ガスに含まれる水蒸気の濃度が増加する。このため、燃焼器１０８にバーナを用いている場合、高濃度の水蒸気によりバーナの炎が消えやすくなる。この失火抑制のため、改質水が増量されている間、燃焼器１０８において着火用の点火プラグなど、および／または、ヒータを作動し続けてもよい。
【００６４】
また、図２のステップＳ５において燃料電池１０６の温度が還元終了温度に達すると、改質水を減量した。これに代えて、燃料電池１０６の温度が還元開始温度に達してからの経過時間が所定時間に達したら、改質水を減少してもよい。この所定時間は、たとえば、燃料電池１０６の温度が還元終了温度に達するまでの時間であって、実験などにより求められ、たとえば、１２０分に設定される。
【００６５】
（第２実施形態）
第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、制御器２００は、再起動工程において改質水の供給量を増加させるように水供給器１０４を制御した。これに対し、第２実施形態に係る燃料電池システム１００では、制御器２００は、再起動工程において空気の供給量を増加させるように空気供給器１０３を制御する。これ以外の第２実施形態に係る燃料電池システム１００の構成および作用は第１実施形態に係る燃料電池システム１００と同様であるため、その説明は省略する。
【００６６】
第２実施形態に係る燃料電池システム１００の起動工程における制御方法を、図４および図５を参照して説明する。なお、図５の上図において、破線は、通常起動工程における燃料電池１０６の上流部の温度を示し、実線は、再起動工程における燃料電池１０６の上流部の温度を示す。図５の中図において、破線は、通常起動工程における空気の流量を示し、実線は、再起動工程における空気の流量を示す。図５の下図において実線は、再起動工程における水素含有ガス中の水素の濃度を示す。
【００６７】
図４に示すフローでは、図２に示したフローのうち、ステップＳ４の処理がステップＳ１４の処理に置換され、ステップＳ６の処理がステップＳ１６の処理に置換されている点が相違する。
【００６８】
具体的には、起動指令に応じて通常の起動制御を行う（ステップＳ１）。ここで、燃料電池１０６および改質器１０５を加熱し、図５の上図に示す時間ｔ１において、改質器１０５が所定の温度に達すると、図５の中図に示す時間ｔ１において空気を改質器１０５に供給する。この際、空気が供給される流量（空気の供給量）は、部分酸化法による改質反応に必要な流量であって、たとえば、原料ガス中の炭素原子に対する空気に含まれる酸素分子中の酸素原子のモル比Ｏ／Ｃが０．４になるように設定される。それから、時間ｔ２において、改質器１０５に水供給器１０４から改質水が供給される。この改質水の供給量は、炭素析出、および、改質水の気化熱を考慮して、Ｓ／Ｃが２〜３になるように設定される。そして、制御器２００、たとえば、Ｏ／Ｃが０．２に低下するように、空気供給器１０３を制御する。
【００６９】
ここで、前回の停止が通常停止である場合（ステップＳ２：ＮＯ）、通常の起動制御を続行する。そして、図５の上図に示すｔ５において燃料電池１０６の温度が所定温度に達すると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、燃料電池システム１００の起動工程が終了する。
【００７０】
一方、前回の停止が緊急停止である場合（ステップＳ２、ＹＥＳ）、燃料電池１０６の温度が還元開始温度に達するまで、通常の起動制御を続行する。そして、図５の上図の時間ｔ３において燃料電池１０６の温度が還元開始温度に達すると（ステップＳ３：ＹＥＳ）、図５の中図に示すように、空気供給器１０３を制御して、空気を増量する（ステップＳ１４）。なお、原料ガスの流量は、空気の増量前の流量から変化させず、再起動工程において一定になるように原料ガス供給器１０１を制御する。
【００７１】
これにより、空気中の酸素が消費された後に残存する窒素が増え、図５の下図に示すように、アノード１０６ａに供給される水素含有ガスにおける水素の濃度が低下する。このため、還元によりアノード１０６ａが収縮する量が空気を増量しない状態よりも減少し、急激なアノード１０６ａの還元による収縮によってセルが剥離および損傷を起こすような応力の発生を抑制できる。また、還元反応によるアノード１０６ａの単位時間当たりの発熱量も低下するため、アノード１０６ａのシンタリングに伴う電極有効面積の低下が低減されると共に、還元反応の速度増加も抑制される。
【００７２】
そして、図５の上図に示す時間ｔ４において、燃料電池１０６の温度が還元終了温度に達すると（ステップＳ５：ＹＥＳ）、制御器２００は空気供給器１０３を制御して、空気を減量する（ステップＳ１６）。この際の空気の供給量は、通常起動工程における空気の供給量と同じであってもよい。これにより、通常起動工程と同様の通常の起動制御に戻る。
【００７３】
そして、図５の上図に示すｔ６において、燃料電池１０６の温度が所定温度に達すると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、燃料電池システム１００の起動工程が終了する。
【００７４】
上記構成によれば、再起動工程において、水素含有ガスに含まれる水素の濃度を、通常起動工程よりも減少させている。これにより、アノード１０６ａの還元による燃料電池１０６の性能の低下を低減することができる。
【００７５】
また、制御器２００は、緊急停止後の再起動工程における空気の供給量を通常起動工程よりも増加させるように空気供給器１０３を制御している。この際、制御器２００は、原料ガスの供給量を一定に保つように原料ガス供給器１０１を制御している。これにより、燃料電池１０６の発電に必要な水素の供給量を維持したまま、水素含有ガスに占める水素の濃度を低下させることができる。
【００７６】
さらに、再起動工程において、燃料電池１０６の温度が、アノード１０６ａが還元される温度であるときに、空気供給器１０３を制御する。つまり、アノード１０６ａの温度が還元開始温度から還元終了温度までの温度範囲にあるとき、空気を増量している。これにより、アノード１０６ａの還元による燃料電池１０６の性能の低下を低減することができると共に、エネルギ効率の悪化を抑制することができる。
【００７７】
なお、図２のステップＳ５において燃料電池１０６の温度が還元終了温度に達すると、空気を減量する。これに代えて、燃料電池１０６の温度が還元開始温度に達してからの経過時間が所定時間に達したら、空気を減量してもよい。この所定時間は、たとえば、燃料電池１０６の温度が還元終了温度に達するまでの時間であって、実験などにより求められ、たとえば、１２０分に設定される。
【００７８】
また、制御器２００は、再起動工程において、図４に示すように空気の供給量を増加させるように空気供給器１０３を制御すると共に、図２に示すように改質水の供給量を増加させるように水供給器１０４を制御してもよい。これにより、水素含有ガスに含まれる水素の濃度を低下することができる。
【００７９】
（第３実施形態）
第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、制御器２００は、再起動工程において改質水の供給量を増加させるように水供給器１０４を制御した。これに対し、第３実施形態に係る燃料電池システム１００では、制御器２００は、再起動工程において水供給器１０４、空気供給器１０３および酸化剤ガス供給器１０９のうち少なくとも一つを制御して、燃料電池１０６の温度上昇を通常起動工程における燃料電池１０６の温度上昇よりも抑制する。これ以外の第３実施形態に係る燃料電池システム１００の構成および作用は第１実施形態に係る燃料電池システム１００と同様であるため、その説明は省略する。
【００８０】
第３実施形態に係る燃料電池システム１００の起動工程における制御方法を、図６を参照して説明する。ここでは、再起動工程において酸化剤ガス供給器１０９を制御して、燃料電池１０６の温度上昇を通常起動工程よりも抑制する場合について説明する。図６に示すフローでは、図２に示したフローのうち、ステップＳ４の処理がステップＳ２４の処理に置換され、ステップＳ６の処理がステップＳ２６の処理に置換されている点が相違する。
【００８１】
具体的には、起動指令に応じて通常の起動制御を行う（ステップＳ１）。そして、前回の停止が通常停止である場合（ステップＳ２：ＮＯ）、通常の起動制御を続行する。一方、前回の停止が緊急停止である場合（ステップＳ２、ＹＥＳ）、燃料電池１０６の温度が還元開始温度に達するまで、通常の起動制御を続行する。
【００８２】
燃料電池１０６の温度が還元開始温度に達すると（ステップＳ３：ＹＥＳ）、酸化剤ガス供給器１０９を制御して、酸化剤ガスを増量する（ステップＳ２４）。なお、原料ガスの流量は、空気の増量前の流量から変化させず、再起動工程において一定になるように原料ガス供給器１０１を制御する。
【００８３】
これにより、酸化剤ガスによりカソード１０６ｂを介して燃料電池１０６の全体、ひいてはアノード１０６ａが冷却される。このため、アノード１０６ａの還元反応速度、および還元反応にともなう発熱によるアノード１０６ａの温度上昇速度を通常起動工程よりも抑制することができる。
【００８４】
そして、燃料電池１０６の温度が還元終了温度に達すると（ステップＳ５：ＹＥＳ）、制御器２００は酸化剤ガス供給器１０９を制御して、酸化剤ガスを減量する（ステップＳ２６）。この際の酸化剤ガスの供給量は、通常起動工程における酸化剤ガスの供給量と同じであってもよい。これにより、通常起動工程と同様の通常の起動制御に戻る。
【００８５】
そして、燃料電池１０６の温度が所定温度に達すると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、燃料電池システム１００の起動工程が終了する。
【００８６】
上記構成によれば、再起動工程において酸化剤ガスを通常起動工程より増量して、燃料電池１０６およびそのアノード１０６ａを冷却している。これにより、アノード１０６ａの還元反応に伴う発熱によって急激に温度上昇することを通常起動工程よりも抑制できる。この結果、急激な温度上昇による応力で電解質とアノード１０６ａとの剥離、および、電解質の破損が生じることを抑制できる。また、アノード１０６ａのシンタリングも抑制され、有効電極面積の低下を抑制できる。よって、アノード１０６ａの還元による燃料電池１０６の性能の低下を低減することができる。
【００８７】
なお、図４のステップＳ５において燃料電池１０６の温度が還元終了温度に達すると、酸化剤ガスを減量している。これに代えて、燃料電池１０６の温度が還元開始温度に達してからの経過時間が所定時間に達したら、酸化剤ガスを減量してもよい。この所定時間は、たとえば、燃料電池１０６の温度が還元終了温度に達するまでの時間であって、実験などにより求められ、たとえば、１２０分に設定される。
【００８８】
さらに、再起動工程において燃料電池１０６に供給されるガスを増量して燃料電池１０６の温度上昇を通常起動工程における燃料電池１０６の温度上昇よりも抑制する制御として、以下の通り行ってもよい。酸化剤ガス供給器１０９に代えて水供給器１０４を制御してもよいし、酸化剤ガス供給器１０９に代えて空気供給器１０３を制御してもよいし、酸化剤ガス供給器１０９に代えて水供給器１０４および空気供給器１０３を制御してもよい。また、酸化剤ガス供給器１０９に加えて水供給器１０４を制御してもよいし、酸化剤ガス供給器１０９に加えて空気供給器１０３を制御してもよいし、酸化剤ガス供給器１０９に加えて水供給器１０４および空気供給器１０３を制御してもよい。
【００８９】
この場合、制御器２００は、図６に示すように、再起動工程において、再起動工程において酸化剤ガスの供給量を通常起動工程における酸化剤ガスの供給量よりも増加させるよう、酸化剤ガス供給器１０９を制御する。また、制御器２００は、図２と同様に、再起動工程において、改質水の供給量を通常起動工程における改質水の供給量よりも増加させるよう、水供給器１０４を制御する。また、制御器２００は、図４と同様に、再起動工程において、空気の供給量を通常起動工程における空気の供給量よりも増加させるよう、空気供給器１０３を制御する。
【００９０】
（第４実施形態）
第４実施形態に係る燃料電池システム１００では、制御器２００は、緊急停止後の再起動工程において改質水の供給量を増加させるように水供給器１０４を制御し、さらに、酸化剤ガスの供給量を増加させるように酸化剤ガス供給器１０９を制御する。これ以外の第４実施形態に係る燃料電池システム１００の構成および作用は第１実施形態に係る燃料電池システム１００と同様であるため、その説明は省略する。
【００９１】
第４実施形態に係る燃料電池システム１００の起動工程における制御方法を、図７および図８を参照して説明する。なお、図８の上図において、破線は、通常起動工程における燃料電池１０６の上流部の温度を示し、実線は、再起動工程における燃料電池１０６の上流部の温度を示す。図８の中図において、破線は、通常起動工程における改質水の流量を示し、実線は、再起動工程における改質水の流量を示す。図８の下図において、破線は、通常起動工程における酸化剤ガスの流量を示し、実線は、再起動工程における酸化剤ガスの流量を示す。
【００９２】
図７に示すフローでは、図２に示したフローのうち、ステップＳ４の処理とステップＳ５の処理との間にステップＳ８の処理が加えられ、ステップＳ６の処理とステップＳ７の処理との間にステップＳ９の処理が加えられている点が相違する。
【００９３】
具体的には、起動指令に応じて通常の起動制御を行う（ステップＳ１）。ここで、原料ガスを改質器１０５に供給すると共に、酸化剤ガスを燃料電池１０６のカソード１０６ｂに供給する。これらは排ガスとして燃焼器１０８に供給される。この際、酸化剤ガスに空気を用いた場合、たとえば、空燃比が２になるように、酸化剤ガスが供給される流量（酸化剤ガスの供給量）が設定される。空燃比は、燃焼器１０８に供給される排ガス中の可燃性ガスが理論的に完全燃焼するのに必要な空気中の酸素の流量に対する、燃焼器１０８に供給される排ガス中の空気中の酸素の流量の比である。これにより、燃焼器１０８により可燃性ガスが空気により燃焼し、燃料電池１０６および改質器１０５が加熱される。
【００９４】
図８の上図に示す時間ｔ１において、改質器１０５が所定の温度に達すると、空気を改質器１０５に供給し、部分酸化法による改質反応が開始する。この際、図８の下図に示す時間ｔ１において、酸化剤ガスの供給量を増加する。たとえば、酸化剤ガスに空気を用いた場合、空燃比が３になるように、酸化剤ガスの供給量を増やす。
【００９５】
そして、前回の停止が通常停止である場合（ステップＳ２：ＮＯ）、通常の起動制御を続行する。そして、図８の上図に示す時間ｔ５において燃料電池１０６の温度が所定温度に達すると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、燃料電池システム１００の起動工程が終了する。なお、燃料電池１０６の温度上昇を通常起動工程よりも抑制するために、時間ｔ７において酸化剤ガスの供給量を増大させてもよい。たとえば、酸化剤ガスに空気を用いた場合、空燃比が４になるように、酸化剤ガスの供給量を増やす。
【００９６】
一方、前回の停止が緊急停止である場合（ステップＳ２、ＹＥＳ）、燃料電池１０６の温度が還元開始温度に達するまで、通常の起動制御を続行する。そして、図８の上図の時間ｔ３において燃料電池１０６の温度が還元開始温度に達すると（ステップＳ３：ＹＥＳ）、図８の中図に示すように、水供給器１０４を制御して、改質水を増量する（ステップＳ４）。なお、原料ガスの流量は、空気の増量前の流量から変化させず、再起動工程において一定になるように原料ガス供給器１０１を制御する。
【００９７】
また、図８の下図に示すように、時間ｔ３において酸化剤供給器を制御して、酸化剤ガスを増量する(ステップＳ８)。たとえば、酸化剤ガスに空気を用いた場合、空燃比が６になるように、酸化剤ガスの供給量を増やす。これにより、再起動工程においてカソード１０６ｂに供給される酸化剤ガスの供給量が通常起動工程より多くなる。このため、カソード１０６ｂを介して燃料電池１０６が多量の酸化剤ガスにより冷却されて、アノード１０６ａの温度上昇速度が低下し、アノード１０６ａの還元反応速度が通常起動工程より低い。よって、急激なアノード１０６ａの還元による収縮によってセルが剥離および損傷を起こすような応力の発生を抑制できる。また、還元反応によるアノード１０６ａの発熱量も低下するため、アノード１０６ａのシンタリングに伴う電極有効面積の低下が低減されると共に、還元反応の速度増加も抑制される。
【００９８】
そして、図８の上図に示す時間ｔ４において、燃料電池１０６の温度が還元終了温度に達すると（ステップＳ５：ＹＥＳ）、図８の中図に示すように、改質水を減量し（ステップＳ６）、改質水の供給量を通常起動工程と同じにする。また、図８の下図に示すように、酸化剤ガスを減量し(ステップＳ９)、酸化剤ガスの供給量を通常起動工程と同じにする。これにより、通常起動工程と同様の通常の起動制御に戻る。そして、図８の上図に示すｔ６において、燃料電池１０６の温度が所定温度に達すると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、燃料電池システム１００の起動工程が終了する。
【００９９】
上記構成によれば、再起動工程において、水素含有ガスに含まれる水素の濃度を通常起動工程よりも減少させている。これにより、アノード１０６ａの還元による燃料電池１０６の性能の低下を低減することができる。
【０１００】
また、制御器２００は、再起動工程における酸化剤の供給量を通常起動工程よりも増加させるように酸化剤ガス供給器１０９を制御している。これにより、アノード１０６ａの温度上昇が抑えられるため、アノード１０６ａの還元による燃料電池１０６の性能の低下を低減することができる。
【０１０１】
なお、図７のステップＳ４において改質水を増量することにより、燃焼器１０８にバーナを用いている場合、高濃度の水蒸気によりバーナの炎が消えやすくなる。この失火抑制のため、改質水が増量されている間、燃焼器１０８において着火用の点火プラグ、および／または、ヒータを作動し続けてもよい。
【０１０２】
また、図７のステップＳ５において燃料電池１０６の温度が還元終了温度に達すると、空気を減量する。これに代えて、燃料電池１０６の温度が還元開始温度に達してからの経過時間が所定時間に達したら、空気を減量してもよい。
【０１０３】
さらに、再起動工程において燃料電池１０６の温度上昇を通常起動工程よりも抑制する制御に加えて、再起動工程において水素含有ガスに含まれる水素の濃度を通常起動工程よりも減少させる制御を行ってもよい。上記図７では、水素の濃度を減少させる制御として水供給器１０４を制御し、燃料電池１０６の温度上昇を抑制する制御として酸化剤ガス供給器１０９を制御した。
【０１０４】
しかし、これに限定されない。水素の濃度を減少させる制御として、図４に示す空気供給器１０３の制御を行ってもよいし、図２に示す水供給器１０４の制御および図４に示す空気供給器１０３の制御を行ってもよい。空気供給器１０３を制御する場合、図９に示すように、ステップＳ１４において空気を増量し、ステップＳ１６において空気を減少してもよい。この図９のステップＳ１４およびステップＳ１６の処理は、図４のステップＳ１４およびステップＳ１６の処理とそれぞれ同様であるため、その説明を省略する。
【０１０５】
また、燃料電池１０６の温度上昇を抑制する制御として、酸化剤ガス供給器１０９に代えて水供給器１０４を制御してもよいし、酸化剤ガス供給器１０９に代えて空気供給器１０３を制御してもよいし、酸化剤ガス供給器１０９に代えて水供給器１０４および空気供給器１０３を制御してもよい。また、酸化剤ガス供給器１０９に加えて水供給器１０４を制御してもよいし、酸化剤ガス供給器１０９に加えて空気供給器１０３を制御してもよいし、酸化剤ガス供給器１０９に加えて水供給器１０４および空気供給器１０３を制御してもよい。
【０１０６】
（その他の実施形態）
上記全ての実施形態では燃料電池システム１００は空気供給器１０３および水供給器１０４を備えていた。これに対して、燃料電池システム１００は空気供給器１０３および水供給器１０４のいずれか一方を備えていればよい。燃料電池システム１００は空気供給器１０３を備えている場合、改質器１０５では部分酸化法による改質反応が生じる。一方、燃料電池システム１００は水供給器１０４を備えている場合、改質器１０５では水蒸気改質法による改質反応が生じる。
【０１０７】
上記全ての実施形態では再起動工程において改質水の流量または空気の流量が調整された。これに対し、再起動工程において改質水の流量および空気の流量を調整してもよい。
【０１０８】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明の燃料電池システムおよびその制御方法は、燃料電池システムの緊急停止後の再起動工程におけるアノードの還元による燃料電池の性能の低下を抑制することができる燃料電池システムおよびその制御方法等として有用である。
【符号の説明】
【０１１０】
１００    ：燃料電池システム
１０１    ：原料ガス供給器
１０３    ：空気供給器
１０４    ：水供給器
１０５    ：改質器
１０６    ：燃料電池
１０６ａ  ：アノード
１０９    ：酸化剤ガス供給器
２００    ：制御器
【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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