CN110959211B - 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统，具备：燃料电池；催化燃烧器，其被供给原燃料和氧化剂，来生成原燃料的燃烧气体；以及控制部，其控制针对催化燃烧器的原燃料和氧化剂的供给。在燃料电池系统启动时，控制部向催化燃烧器供给原燃料和氧化剂，在转为催化燃烧器中的原燃料的重整反应比原燃料的燃烧反应占优势的时期，控制部使氧化剂与原燃料的比率即空燃比相比于转为重整反应占优势的时期前的空燃比而言增大。

Description

燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种利用燃烧器来生成暖机用的热量的燃料电池系统及其控制方法。

背景技术

JP2008-293756中公开了如下内容：具备具有用于促进燃烧的催化剂的燃烧器，在系统启动时向该燃烧器供给燃料和空气，使用通过作为燃料的氢的燃烧所产生的热量来对燃料电池进行加热，以促进燃料电池的暖机(第0068、0069段)。

发明内容

从尽快完成暖机的观点出发，要求使燃烧器所具备的催化剂迅速升温。另一方面，在利用燃烧器使燃料处理前的原燃料燃烧的情况下，与使氢燃烧的情况不同，由于原燃料的燃烧，有时在使催化剂升温的过程中大气污染物质的排出量增大。因而，如果只是单纯地向燃烧器供给原燃料并使原燃料燃烧，担心向大气中排放的大气污染物质增加。

本发明的目的在于提供一种考虑到以上问题的燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法。

本发明在一个方式中提供燃料电池系统，该燃料电池系统具备：燃料电池；催化燃烧器，其被供给原燃料和氧化剂，来生成原燃料的燃烧气体；以及控制部，其控制针对催化燃烧器的原燃料和氧化剂的供给。本方式所涉及的控制部在燃料电池系统启动时向催化燃烧器供给原燃料和氧化剂，在转为催化燃烧器中的原燃料的重整反应比原燃料的燃烧反应占优势的时期，该控制部使氧化剂与原燃料的比率即空燃比相比于转为重整反应占优势的时期前的空燃比增大。

本发明在其它方式中提供燃料电池系统的控制方法。

附图说明

图1是概要性地示出本发明的一个实施方式所涉及的燃料电池系统的结构的说明图。

图2是示出燃料电池系统的具体例的结构图。

图3是示出燃料电池系统在启动时的工作状态的说明图。

图4是示出燃料电池系统在通常时的工作状态的说明图。

图5是示出本发明的一个实施方式所涉及的启动控制的流程的流程图。

图6是说明启动控制的作用效果的时间图。

图7是示意性地示出特定气体成分排出量的变化的说明图。

图8是示出启动控制的变更例的时间图。

图9是示出启动控制的其它变更例的时间图。

图10是示出本发明的其它实施方式所涉及的启动控制的流程的流程图。

图11是概要性地示出本发明的又一实施方式所涉及的燃料电池系统的结构的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的实施方式。

(燃料电池系统的整体结构)

图1概要性地示出本发明的一个实施方式所涉及的燃料电池系统S的结构。

本实施方式所涉及的燃料电池系统(以下称为“燃料电池系统”，有时仅称为“系统”)S具备燃料电池堆1、燃料处理部2、氧化剂气体加热部3、催化燃烧器(以下仅称为“燃烧器”)4以及控制部5。

燃料电池堆(以下有时仅称为“堆”)1是将多个燃料电池或燃料电池单位单元层叠而构成的，作为发电源的各个燃料电池例如是固体氧化物型燃料电池(SOFC)。燃料电池堆1在阳极(anode)系统中具备用于向燃料电池的阳极供给燃料气体的阳极气体通路11以及用于流通从阳极排出的发电反应后的阳极排气的阳极排气通路11exh(在图1中未图示)，另一方面，在阴极(cathode)系统中具备用于向燃料电池的阴极供给氧化剂气体的阴极气体通路12以及用于流通从阴极排出的发电反应后的阴极排气的阴极排气通路12exh(未图示)。

燃料处理部2用于对作为一次燃料的原燃料进行处理，来生成燃料电池中的发电反应中使用的燃料气体。燃料处理部2被插入安装于阳极气体通路11，接受原燃料的供给(箭头A1)。原燃料例如是含氧燃料，在本实施方式中是乙醇。

氧化剂气体加热部3用于对氧化剂气体进行加热。氧化剂气体加热部3被插入安装于阴极气体通路12，接受氧化剂气体的供给(箭头B)。氧化剂气体例如是空气，能够通过向燃料电池的阴极供给大气中的空气来向阴极供给发电反应中使用的氧。氧化剂气体或空气从大气向阴极气体通路12的吸入例如是由设置于阴极气体通路12的开放端附近的空气压缩机或鼓风机等空气吸入单元6进行的。

在此，固体氧化物型燃料电池的阳极和阴极处的与发电有关的反应能够通过下面的式子表示。

阳极：2H₂+4O^2-→2H₂O+4e^-…(1.1)

阴极：O₂+4e^-→2O^2-…(1.2)

燃烧器4用于使燃料电池的原燃料燃烧，来生成燃烧气体。燃烧器4接受原燃料的供给(箭头A2)，并且接受氧化剂的供给(箭头C)。燃烧气体所具有的热量不仅被供给到燃料电池堆1，还被供给到燃料处理部2和氧化剂气体加热部3。图1通过粗的虚线示出了热量从燃烧器4向燃料电池堆1、燃料处理部2以及氧化剂气体加热部3的移动。

控制部5控制针对燃料处理部2、氧化剂气体加热部3以及燃烧器4的原燃料和氧化剂的供给，能够构成为包括电子控制单元。在本实施方式中，控制部5具备构成为电子控制单元的控制器51。用于向燃料处理部2供给原燃料的主燃料供给单元52以及用于向燃烧器4供给原燃料的副燃料供给单元53均可以为喷射器(第一燃料喷射器52、第二燃料喷射器53)。第一燃料喷射器52和第二燃料喷射器53能够构成为：根据来自控制器51的指令信号来进行工作，能够对燃料处理部2和燃烧器4连续或间歇地供给原燃料。

控制器51在燃料电池系统S启动时执行控制，以促进燃料电池系统S的暖机。判定燃料处理部2是否处于能够对原燃料进行处理的状态，在燃料处理部2处于能够对原燃料进行处理的状态的情况下，通过第一燃料喷射器52向燃料电池系统S供给原燃料，在燃料处理部2不处于能够对原燃料进行处理的状态的情况下，通过第二燃料喷射器53供给原燃料。由此，在燃料处理部2不处于能够对原燃料进行处理的状态的情况下，以在燃烧器4中生成的燃烧气体为热源来对燃料电池堆1和燃料处理部2进行加热，以促进燃料电池系统S的暖机。

图2示出燃料电池系统S的具体结构。

燃料电池系统S具备固体氧化物型燃料电池(SOFC)来作为发电源，并具备能够搭载在车上的燃料罐7。在本实施方式中，作为一次燃料的原燃料是含氧燃料(例如乙醇)，在燃料罐7中贮存有含氧燃料与水的混合物(例如含有45体积％的乙醇的乙醇水溶液)。燃料罐7与燃料电池堆1经由阳极气体通路11进行连接，在阳极气体通路11上，从流动的方向上的上游侧起依次插入安装有蒸发器21、燃料热交换器22以及重整器23。另一方面，在蒸发器21的上游侧，从阳极气体通路11分支出分支燃料通路11sub，分支燃料通路11sub连接于燃烧器(催化燃烧器)41。在阳极气体通路11上的分支燃料通路11sub的分支点与蒸发器21之间的位置插入安装有第一燃料喷射器52，在分支燃料通路11sub上插入安装有第二燃料喷射器53。由此，能够将原燃料的流通在阳极气体通路11与分支燃料通路11sub之间进行切换。蒸发器21、燃料热交换器22以及重整器23构成燃料电池系统S的燃料处理部2，用于对原燃料进行处理，来生成燃料电池的燃料气体。

蒸发器21从燃料罐7接受乙醇水溶液的供给，并对该乙醇水溶液进行加热，来使液体的乙醇和水都蒸发，从而生成乙醇气体和水蒸气。

燃料热交换器22从燃烧器41接受通过燃烧而产生的热量，来对乙醇气体和水蒸气进行加热。

重整器23内置重整用催化剂，从作为原燃料的气体的乙醇通过水蒸气重整来生成作为燃料气体的氢。水蒸气重整能够通过下面的式子表示。水蒸气重整是吸热反应，在重整时需要从外部供给热量。在本实施方式中，在重整期间也利用燃烧器41使阳极排气中的残留燃料燃烧，并将通过燃烧而产生的热量供给到重整器23。

C₂H₅OH+3H₂O→6H₂+2CO₂…(2)

氧化剂气体加热部3由空气热交换器31构成，通过与从燃烧器41经过燃烧气体通路42供给的燃烧气体之间的热交换，来对阴极气体通路12中流过的氧化剂气体进行加热。在本实施方式中，在阴极气体通路12的开放端附近设置有空气压缩机61，大气中的空气作为氧化剂气体通过空气压缩机61被吸入到阴极气体通路12。被吸入的空气在通过空气热交换器31时从常温(例如25℃)被加热，之后被供给到燃料电池堆1。

燃烧器41内置由Pt(铂)、Pd(钯)以及Rh(铑)这3种元素形成的燃烧用催化剂，通过分支燃料通路11sub接受乙醇水溶液的供给，通过作为原燃料的乙醇的催化燃烧来生成燃烧气体。在本实施方式中，燃烧器41与蒸发器21经由燃烧气体通路42进行连接，利用燃烧气体所具有的热量来对蒸发器21进行加热。另一方面，构成为：燃料热交换器22和重整器23被收容在与燃烧器41共用的壳体中(用双点划线L表示)，燃烧气体的热量在该共用的壳体L的内部被传递到燃料热交换器22和重整器23。这样，在本实施方式中，利用在燃烧器41中生成的燃烧气体，不仅对燃料电池堆1进行加热，还对燃料处理部2进行加热。不限于此，燃烧器41也可以是对燃料电池堆1和燃料处理部2中的某一个进行加热的专用的燃烧器。

在本实施方式中，燃烧器41与在空气压缩机61的下游侧从阴极气体通路12分支出的通路(以下称为“分支空气通路”)12sub连接，在分支空气通路12sub上设置有用于对流过通路12sub的氧化剂(空气)的流量进行调节的流量控制阀62。并且，燃烧器41与从燃料电池堆1延伸出的阳极排气通路11exh及阴极排气通路12exh连接。由此，在燃料电池系统S启动时，在重整器23达到可重整温度之前，能够通过将流量控制阀62打开来通过分支空气通路12sub向燃烧器41供给氧化剂，另一方面，在重整器23达到可重整温度之后，将流量控制阀62关闭，来经由阴极排气通路12exh供给氧化剂(阳极排气中的残留氧)。

在此，燃烧器41中的原燃料的反应能够通过下面的式子表示。

C₂H₅OH+1/2O₂→2CO+3H₂…(3.1)

CO+1/2O₂→CO₂…(3.2)

H₂+1/2O₂→H₂O…(3.3)

C₂H₅OH→CH₃CHO+H₂…(3.4)

CH₃CHO→CH₄CO…(3.5)

上面的式子(3.1)～(3.5)中的式子(3.1)～(3.3)表示原燃料的燃烧反应，式子(3.4)和(3.5)表示原燃料的重整反应。因而，当相对于燃烧反应而言重整反应更占优势地进行时，碳化氢和一氧化碳等大气污染物质的排出量增大。

燃料电池堆1的发电电力能够用于对蓄电池进行充电，或者用于驱动电动马达或电动发电机等外部装置。例如，燃料电池系统S能够应用于车辆用的驱动系统，对蓄电池充入通过燃料电池堆1的额定运转而产生的电力，从蓄电池向行驶用的电动发电机供给与车辆的目标驱动力相应的电力。

(控制系统的结构)

第一燃料喷射器52、第二燃料喷射器53、空气压缩机61以及流量控制阀62由控制器51来控制，除此以外，燃料电池系统S的运转中使用的其它各种装置或部件的动作由控制器51来控制。在本实施方式中，控制器51被构成为包括微计算机的电子控制单元，该微计算机具备中央运算电路、ROM及RAM等各种存储装置、输入输出接口等。

控制器51在启动完成后的通常时设定燃料电池堆1的额定运转、换言之是最大发电输出下的运转所需要的原燃料的供给量(以下称为“通常时供给量”)，并通过第一燃料喷射器52向燃料电池系统S供给通常时供给量的原燃料。

另一方面，控制器51在燃料电池系统S启动时执行用于进行燃料电池系统S整体的暖机的启动控制。通过启动控制，使在停止状态下原本处于低温(例如常温)的燃料电池堆1升温至其动作温度。固体氧化物型燃料电池的动作温度为800℃～1000℃左右，在本实施方式中，使燃料电池堆1或燃料电池的温度上升至600℃～700℃。

控制器51被输入来自用于检测堆温度T_stk的堆温度传感器101的信号、来自用于检测燃烧器温度T_cmb的燃烧器温度传感器102的信号、来自用于检测重整器温度T_ref的重整器温度传感器103的信号、以及来自用于检测排气浓度C_cmb的排气传感器104的信号等，来作为与启动控制有关的信息。

堆温度T_stk是表示燃料电池堆1或燃料电池的温度的指标，在本实施方式中，在燃料电池堆1的阴极排气出口附近设置堆温度传感器101，将由堆温度传感器101检测出的温度设为堆温度T_stk。

燃烧器温度T_cmb是燃烧器41的温度。在本实施方式中，在燃烧气体通路42的燃烧器41的下游侧的位置设置燃烧器温度传感器102，将由燃烧器温度传感器102检测出的温度、也就是燃烧器41的出口部温度设为燃烧器温度T_cmb。

重整器温度T_ref是重整器23的温度。在本实施方式中，在阳极气体通路11的重整器23的下游侧的位置设置重整器温度传感器103，将由重整器温度传感器103检测出的温度设为重整器温度T_ref。

排气浓度C_cmb是在燃烧器41中生成的燃烧气体中的特定气体成分的浓度。在本实施方式中，将作为燃烧气体的潜在成分的CO、CO₂、CH₄、H₂、H₂O以及CH₃CHO中的、作为重整反应的生成物产生的CO、CH₄、H₂以及CH₃CHO中的至少一种气体成分设为特定气体成分。在燃烧气体通路42的燃烧器41与空气热交换器31之间的位置设置排气传感器104，将由排气传感器104检测出的浓度设为排气浓度C_cmb。

(燃料电池系统的动作说明)

图3和图4示出了燃料电池系统S的工作状态，图3示出了燃料电池系统S在启动时的工作状态，图4示出了启动完成后的通常时的工作状态。用粗的实线表示阳极系统及阴极系统的通路中的实际有气体流通的通路，用细的实线表示阳极系统及阴极系统的通路中的气体的流通停止的通路。

在启动时，停止通过第一燃料喷射器52供给原燃料，而通过第二燃料喷射器53向燃烧器41供给燃料电池堆1的暖机所需要的原燃料(图3)。另一方面，通过使空气压缩机61工作并将流量控制阀62打开，来通过分支空气通路12sub向燃烧器41供给氧化剂(空气)。利用通过原燃料的燃烧而产生的热量来对燃料热交换器22和重整器23进行加热，并且经由燃烧气体通路42向空气热交换器31和蒸发器21供给燃烧气体。将燃料电池堆1与蒸发器21、燃料热交换器22、重整器23及空气热交换器31一起进行加热，从而能够促进燃料电池系统S整体的暖机。

在通常时，通过第一燃料喷射器52向燃料电池系统S供给燃料电池堆1的额定运转所需要的通常时供给量的原燃料，从而使燃料电池堆1在额定输出下进行运转(图4)。另一方面，使阳极排气中的残留燃料在燃烧器41中燃烧，来对重整器23供给进行重整所需要的热量，并且向空气热交换器31和蒸发器21供给残留燃料的燃烧气体，来将燃料电池系统S整体维持在运转所需要的温度。

下面参照流程图来具体说明燃料电池系统S的启动控制。

(启动控制的说明)

图5是示出本实施方式所涉及的燃料电池系统S的启动控制的流程的流程图。

以如下方式对控制器51进行了编程：当根据驾驶员对启动开关105的操作而从启动开关105输入了启动要求信号时，控制器51按照图5的流程图所示的流程来执行燃料电池系统S的启动控制。控制器51根据启动要求信号的输入来开始进行启动控制，根据判定为燃料电池堆1或燃料电池的暖机已完成来结束启动控制。

在S101中，读入与启动控制有关的各种传感器输出。具体地说，读入堆温度T_stk、燃烧器温度T_cmb、重整器温度T_ref以及排气浓度C_cmb。

在S102中，判定燃烧器41的温度T_cmb是否达到了其目标值T_{cmb_t}。在燃烧器温度T_cmb达到了目标值T_{cmb_t}的情况下，进入S109，在燃烧器温度T_cmb未达到目标值T_{cmb_t}的情况下，进入S103。燃烧器温度T_cmb的目标值T_{cmb_t}例如为800℃。

在S103中，计算在启动时对燃烧器41供给的原燃料的供给量(以下称为“启动时供给量”)Q_{f_str}。启动时供给量Q_{f_str}能够根据燃烧气体的目标温度(例如800℃)来设定。然后，计算能够产生使燃烧气体为目标温度所需要的热量的原燃料的供给量来作为启动时供给量Q_{f_str}。启动时供给量Q_{f_str}不仅能够通过运算得到，还能够预先设定为通过实验等适当地决定的量。

在S104中，计算启动时的空气压缩机61的目标转速(以下称为“目标压缩机转速”)N_{cmp_t}。目标压缩机转速N_{cmp_t}是能够向燃烧器41供给相对于启动时供给量Q_{f_str}的原燃料使空燃比为预先决定的规定值(以下称为“启动时目标空燃比”)所需要的量的空气的空气压缩机61的转速。在本实施方式中，将按每个启动时供给量Q_{f_str}分配目标压缩机转速N_{cmp_t}所得到的对应图数据存储到控制器51中，通过根据启动时供给量Q_{f_str}检索该对应图数据，来计算目标压缩机转速N_{cmp_t}。

在S105中，判定在燃烧器41中发生的反应中的由上面的式子(3.4)和(3.5)表示的重整反应是否比由上面的式子(3.1)～(3.3)表示的燃烧反应占优势地进行。在本实施方式中，根据排气传感器104的输出来判定作为特定气体成分的浓度的排气浓度C_cmb是否超过了规定值C_{cmb_thr}，在排气浓度C_cmb超过了规定值C_{cmb_thr}的情况下，认为重整反应占优势，进入S106。另一方面，在排气浓度C_cmb为规定值C_{cmb_thr}以下的情况下，认为燃烧反应占优势，进入S111。

在S106中，使燃烧器41中的空燃比增大。在此，“空燃比”是指向燃烧器41供给的氧化剂(空气)的质量与原燃料(乙醇)的质量的比率，在本实施方式中，使通过分支空气通路12sub向燃烧器41供给的空气的量增大，由此使空燃比增大(以下有时将增大后的空燃比称为“启动时校正空燃比”)。具体地说，对目标压缩机转速N_{cmp_t}进行增大校正，来使空气压缩机61的喷出量增大。不限于此，也可以通过使流量控制阀62的开度增大，来使向燃烧器41供给的空气的量增大。

在S107中，判定在燃烧器41中发生的反应中的由上面的式子(3.1)～(3.3)表示的燃烧反应是否比由上面的式子(3.4)和(3.5)表示的重整反应占优势地进行。具体地说，在S105所示的处理中因排气浓度C_cmb超过规定值C_{cmb_thr}而认为转为重整反应比燃烧反应占优势、从而通过S106所示的处理使空燃比增大之后，排气浓度C_cmb降低，判定其降低速度ΔC_cmb是否减少至规定值ΔC_{cmb_thr}。然后，在排气浓度C_cmb的变化速度ΔC_cmb减少至规定值ΔC_{cmb_thr}的情况下，认为转为燃烧反应占优势，进入S108，在排气浓度C_cmb的变化速度ΔC_cmb未减少至规定值ΔC_{cmb_thr}的情况下，认为处于重整反应依然占优势的状态，返回到S106，反复执行S106和107所示的处理。

在S108中，将通过S106所示的处理进行的空燃比的增大校正解除，使燃烧器41中的空燃比恢复为原来的启动时目标空燃比。在本实施方式中，通过使目标压缩机转速N_{cmp_t}减少，来使通过分支空气通路12sub向燃烧器41供给的空气的量减少为原来的供给量。在通过对流量控制阀62的控制已经使空燃比增大的情况下，使流量控制阀62的开度减少。

在S109中，判定是否处于能够对原燃料进行处理的状态。在本实施方式中，判定重整器23是否处于能够对原燃料进行重整的状态，具体地说，判定重整器温度T_ref是否为重整器23能够进行重整的下限温度T_{ref_min}以上。在重整器温度T_ref为下限温度T_{ref_min}以上的情况下，认为处于能够对原燃料进行处理的状态，进入S110，在重整器温度T_ref低于下限温度T_{ref_min}的情况下，认为不处于能够对原燃料进行处理的状态，返回到S101，反复执行S101～108所示的处理，以将燃烧器41的温度T_cmb维持在其目标值T_{cmb_t}以上。

关于是否处于能够对原燃料进行处理的状态的判定，不仅能够通过判定重整器23是否处于能够对原燃料进行重整的状态来进行，还能够除了该判定以外或者代替该判定地通过判定蒸发器21是否处于能够使原燃料蒸发的状态来进行。具体地说，判定蒸发器温度T_vap是否为蒸发器21能够进行蒸发的下限温度T_{vap_min}以上，在蒸发器温度T_vap为下限温度T_{vap_min}以上的情况下，判定为处于能够对原燃料进行处理的状态。蒸发器温度T_vap为蒸发器21的温度，例如，在燃烧气体通路42的蒸发器21的下游侧的位置设置蒸发器温度传感器，将由蒸发器温度传感器检测出的温度为设蒸发器温度T_vap。

在S110中，向重整器23供给原燃料。也就是说，在开始启动控制之后，重整器23的温度上升，在变为能够对原燃料进行处理的状态的情况下，将原燃料的供给目的地从燃烧器41切换为燃料处理部2或重整器23，由重整器23生成燃料气体，并利用通过发电而产生的热量来继续进行燃料电池堆1的暖机。

在S111中，判定燃料电池堆1的暖机是否已完成。具体地说，判定堆温度T_stk是否达到了用于判定暖机完成的规定温度T_{stk_wup}，在堆温度T_stk达到了规定温度T_{stk_wup}的情况下，认为燃料电池堆1的暖机已完成，结束启动控制，在堆温度T_stk未达到规定温度T_{stk_wup}的情况下，认为暖机还没有完成，返回到S101，反复执行S101～110所示的处理。在结束了启动控制的情况下，按照未图示的另外的例程来执行通常时的控制，使燃料电池堆1在额定输出下运转。

在本实施方式中，控制器51、第二燃料喷射器53以及空气压缩机61构成燃料电池系统S的“控制部”。

(作用效果的说明)

本实施方式所涉及的燃料电池系统S如以上那样构成，下面说明通过本实施方式获得的作用和效果。

图6示出燃料电池系统S启动时的特定气体成分的排出量Q_g、针对燃烧器41供给的原燃料和氧化剂的供给量Q_f、Q_a、以及燃烧器41的温度T_cmb的变化。燃烧器41的温度T_cmb是指用于对在催化剂上发生的反应进行约束的温度，在本实施方式中，以燃烧器41的出口部温度为代表。适当地参照图6来说明通过本实施方式获得的效果。

第一，在燃料电池系统S启动时，利用具有催化剂的燃烧器41使原燃料燃烧，并使用通过燃烧而产生的热量来对燃料电池堆1和燃料处理部2(重整器23)进行加热，从而能够促进燃料电池系统S整体的暖机。

在此，在催化剂的升温过程中，如图6的第一层中虚线所示，因作为原燃料的乙醇的燃烧而产生的大气污染物质的排出量增大。关于因原燃料的燃烧导致的大气污染物质的生成，可以明确的是其速度主要受到催化剂的温度约束，通常通过使燃烧反应比重整反应占优势地进行来对其进行抑制(期间A和C)。但是，在催化剂的温度处于图6所示的T1～T2的范围时(期间B)，转为重整反应比燃烧反应占优势，碳化氢和一氧化碳等特定气体成分的排出量Q_g增大。

因此，在本实施方式中，在开始启动控制之后，在达到了规定时期(时刻t1)时，认为转为燃烧器41中的原燃料的重整反应比燃烧反应占优势，使空燃比增大，由此通过氧化剂的相对的增量来促进燃烧反应，从而抑制因重整反应导致的大气污染物质的生成。由此，能够一边抑制大气污染物质的排出，一边使燃烧器41的温度上升，来促进暖机。图6中用粗的实线表示通过增大空燃比来降低后的特定气体成分的排出量Q_g。

第二，在启动控制开始之后，在燃料气体中的特定气体成分的浓度(排气浓度C_cmb)达到了规定浓度C_{cmb_thr}时(时刻t1)，认为达到规定时期，使空燃比增大，由此能够根据特定气体成分的浓度来更加适当地设定规定时期，从而能够抑制大气污染物质的排出。

第三，通过排气传感器104，能够以简易的结构判定出达到了规定时期。

第四，如图6的第三层中粗的实线所示，通过使针对燃烧器41供给的氧化剂的供给量Q_a增大，来使空燃比增大，由此不需要使原燃料的供给量Q_f减少，因此能够抑制由于热量的不足而使燃烧器41的升温产生延迟，从而能够避免启动的完成过度地延迟。

在此，关于空燃比的增大，除了能够通过使氧化剂的供给量Q_a增大来实现以外，还能够通过使原燃料的供给量Q_f减少来实现。图6用双点划线示出了在通过减少原燃料的量来使空燃比增大的情况下的变化。通过减少原燃料的量，不需要使氧化剂的供给量Q_a增大，因此能够抑制燃烧器41所具备的催化剂的劣化严重。

在本实施方式中，检测特定气体成分的浓度(排气浓度C_cmb)，在该浓度达到规定浓度C_{cmb_thr}时，认为达到了规定时期，使空燃比增大。是否达到了规定时期的判断不限于此，还能够根据燃烧器41的温度来进行。

具体地说，设置用于检测用于对在催化剂上发生的反应进行约束的温度或者与其有关的温度(例如燃烧器温度T_cmb)的温度传感器，在开始启动控制之后，在由温度传感器检测出的温度达到了第一规定温度(图6所示的温度T1)时(时刻t1)，认为达到了规定时期，使空燃比增大。之后，燃烧器41的温度进一步上升，在温度传感器的检测温度达到了高于第一规定温度T1的第二规定温度(温度T2)时，使空燃比减少。使空燃比增大的具体的方法可以与之前所叙述的方法相同，使针对燃烧器41供给的氧化剂的供给量增大或者使原燃料的供给量减少。

像这样，在启动控制开始之后，根据燃烧器41的温度来判定是否达到了规定时期，换言之，判定作为燃烧器41中的原燃料的反应是否从燃烧反应占优势的状态转为重整反应占优势的状态，由此，能够通过使用了温度传感器的廉价结构来进行判定，并能够抑制大气污染物质的排出。而且，在燃烧器41的温度达到了第二规定温度T2时使空燃比减少，由此能够避免由于空燃比的不必要的增大而导致燃烧器41所具备的催化剂的劣化严重。

并且，也可以是，测量启动开始后的经过时间，在经过时间达到了规定时间时(时刻t1)，使空燃比增大。启动开始后的经过时间与燃烧器41的温度之间的关系能够通过实验等预先掌握。因此，设定估计燃烧器41的温度变为规定温度T1和T2的经过时间t1、t2，在开始启动控制之后经过时间达到了第一规定时间t1时，使空燃比增大，之后，在达到第一规定时间t1之后的第二规定时间t2时，使空燃比减少。

像这样，根据时间来进行是否达到了规定时期的判定，由此不需要传感器等追加部件就能够抑制大气污染物质的排出。

(其它实施方式的说明)

在以上的说明中，将作为燃烧气体的潜在成分的CO、CO₂、CH₄、H₂、H₂O以及CH₃CHO中的、作为重整反应的生成物产生的CO、CH₄、H₂以及CH₃CHO中的至少一种气体成分设为特定气体成分，并根据该成分的浓度(排气浓度C_cmb)来判定是否处于规定时期。是否处于规定时期的判定不限于此，还能够将作为燃烧反应的生成物产生的CO₂或H₂O设为特定气体成分，并根据燃烧气体中的该成分的浓度来进行判定。

图7在上层示出与燃烧器41的温度的上升相对的CO、CH₄、H₂及CH₃CHO的排出量的变化，在下层示出与燃烧器41的温度的上升相对的CO₂及H₂O的排出量的变化。像这样，还能够根据由于转为重整反应占优势而趋向于减少的气体成分的排出量来判定是否达到了应使空燃比增大的规定时期。

并且，在以上的说明中，在要通过使原燃料的供给量减少来使空燃比增大的情况下，在达到规定时期之后，使原燃料的供给量一律减少。通过减少原燃料的量来实现的空燃比的增大不限于此，还能够通过交替地执行原燃料的量的减少和增加来进行空燃比的增大。

作为该情况下的实施方式，图8通过时间图示出了本发明的其它实施方式所涉及的启动控制的内容。

在本实施方式中，控制器51在使空燃比增大时，停止对燃烧器41供给原燃料，之后，交替地执行供给的再开始和供给的停止。像这样，通过停止原燃料的供给，能够通过空燃比的增大来促进燃烧反应，抑制大气污染物质的排出。而且，在原燃料的供给停止之后，通过交替地执行供给再开始和供给的停止，能够一边抑制燃烧器41所具备的催化剂的劣化严重，一边避免由于原燃料的供给停止而使燃烧器41的升温过度地受到阻碍从而导致启动所需要的时间大幅地延长。

图9通过时间图示出了本发明的又一实施方式所涉及的启动控制的内容。

在本实施方式中，控制器51根据启动开始后的经过时间来判定是否达到了规定时期，并且判定燃烧器41所具备的催化剂的劣化程度，根据催化剂的劣化程度来对第一规定时间t1和第二规定时间t2进行校正。具体地说，催化剂的劣化越严重，则将第一规定时间t1和第二规定时间t2设定得越迟。存在如下倾向：催化剂的劣化越严重，则与经过时间相对的燃烧器41的温度的上升梯度越平缓。因而，在催化剂的劣化严重的情况下，相比于劣化前而言，将第一规定时间t12和第二规定时间t22设定得迟，并且延长使空燃比增大的期间B(t12～t22)，由此在与劣化程度相应的适当的时期使空燃比增大，能够抑制大气污染物质的排出。催化剂的劣化程度能够根据开始供给原燃料之后的燃烧器41的温度的上升梯度来检测。

图10是示出本发明的又一实施方式所涉及的启动控制的流程的流程图。

当从启动开关105输入了启动要求信号时，控制器51从存储装置读出启动控制的程序，按照图10的流程图所示的流程来执行燃料电池系统S的启动控制。以与之前的实施方式所涉及的启动控制(图5)的不同点为中心来进行说明。

在开始启动控制之后，在燃烧器41的温度T_cmb尚未达到其目标值T_{cmb_t}的情况下，在S201中，判定燃烧器41是否处于规定温度区域，具体地说，判定是否处于在燃烧器41中发生的反应中的重整反应占优势地进行且来自燃烧器41的特定气体成分的排出量Q_g超过规定量Q_{g_thr}的区域(温度T1～T2)。关于是否处于规定温度区域的判定，除了能够通过直接检测燃烧器41的温度来进行以外，还能够通过检测排气浓度C_cmb来进行，还能够根据启动开始后的经过时间来判断。在燃烧器41处于规定温度区域的情况下，认为重整反应占优势，进入S203，在不处于规定温度区域的情况下，认为燃烧反应占优势，进入S202。

在S202中，将燃烧器41中的空燃比设定为比较低的第二空燃比λ2。

在S203中，将燃烧器41中的空燃比设定为高于第二空燃比λ2的第一空燃比λ1。

在S204中，计算用于实现第一空燃比λ1或第二空燃比λ2的原燃料的供给量(启动时供给量)Q_{f_str}。在本实施方式中，如接下来所述的那样，通过增加氧化剂的量来使空燃比增大，启动时供给量Q_{f_str}与之前的实施方式同样地根据在燃烧器41中生成的燃烧气体的目标温度(T_{cmb_t})来设定。

在S205中，计算用于实现第一空燃比λ1或第二空燃比λ2的空气压缩机61的目标转速(目标压缩机转速)N_{cmp_t}。在本实施方式中，目标压缩机转速N_{cmp_t}的计算是通过以下方式进行的：计算针对启动时供给量Q_{f_str}的原燃料实现第一空燃比λ1或第二空燃比λ2所需要的空气的量，并基于空气压缩机61的工作特性来将所计算出的空气量换算为目标压缩机转速N_{cmp_t}。

像这样，根据本实施方式，在燃料电池系统S启动时，在燃烧器41的温度趋向其目标值(是燃料电池系统S的暖机所需要的温度，例如为800℃)上升的过程中，在穿过在燃烧器41中重整反应占优势的规定温度区域时(期间B)，相比于处于规定温度区域外的情况(期间A或C)而言，使燃烧器41中的空燃比增大，由此使氧化剂的量相对地增加，从而能够使燃烧反应占优势地进行，来抑制大气污染物质的排出。

用于生成燃烧气体的燃烧器或催化燃烧器也能够不仅被配置在燃料电池的排出侧，还配置在供给侧。图11示出该情况下的实施方式。在本实施方式中，除了设置排出侧的燃烧器(以下称为“排气燃烧器”)41以外，还设置有催化燃烧器32，供给侧的催化燃烧器32被插入安装于阴极气体通路12。构成为能够对催化燃烧器32供给原燃料和氧化剂(用虚线表示供给路径)，具体地说，从燃料罐7供给乙醇，并且经由空气压缩机61供给大气中的空气。催化燃烧器32构成为利用燃烧气体对流过阴极气体通路12的氧化剂气体(空气)进行加热的热交换器，在燃料电池系统S启动时，将通过空气压缩机61取入到阴极气体通路12的空气进行加热后供给到燃料电池的阴极。还能够停止对排气燃烧器41供给原燃料和氧化剂，专门由催化燃烧器32来执行燃料电池堆1的暖机。

以上说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不在于将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。能够针对上述实施方式在权利要求书所记载的事项的范围内进行各种变更和修正。

Claims (11)

1.一种燃料电池系统，具备：

燃料电池；

催化燃烧器，其被供给原燃料和氧化剂，来生成所述原燃料的燃烧气体；

重整器，其用于对所述原燃料进行重整，来生成所述燃料电池的燃料气体；以及

控制部，其控制针对所述催化燃烧器的所述原燃料和所述氧化剂的供给，

其中，在所述燃料电池系统启动时，所述控制部向所述催化燃烧器供给所述原燃料和所述氧化剂，在转为所述催化燃烧器中的所述原燃料的重整反应比所述原燃料的燃烧反应占优势的时期，所述控制部使所述氧化剂与所述原燃料的比率即空燃比相比于转为所述重整反应占优势的时期前的空燃比而言增大，

其中，所述控制部在如下情况中的任一情况下，使所述空燃比增大：

在所述燃料电池系统开始启动之后，在所述燃烧气体中的特定气体成分的浓度达到规定浓度时，

在所述燃料电池系统开始启动之后，在所述催化燃烧器的温度达到第一规定温度时，以及

在所述燃料电池系统开始启动之后的经过时间达到规定时间时。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

还具备阳极气体通路，该阳极气体通路用于向所述燃料电池供给燃料气体，

所述重整器插入安装于所述阳极气体通路，

所述催化燃烧器被设置成能够对所述燃料电池和所述重整器中的至少一方进行加热。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述原燃料为乙醇，

所述特定气体成分为CO、CO₂、CH₄、H₂、H₂O以及CH₃CHO中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制部具有排气传感器，该排气传感器被配设成能够检测所述特定气体成分的浓度。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制部判定所述催化燃烧器所具备的催化剂的劣化程度，所述催化剂的劣化越严重，则所述控制部使所述规定时间越迟。

6.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，

在使所述空燃比增大之后，在所述催化燃烧器的温度上升且达到第二规定温度时，所述控制部使所述空燃比减少。

7.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制部在要使所述空燃比增大时，使针对所述催化燃烧器供给的所述氧化剂的供给量增大。

8.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制部在要使所述空燃比增大时，使针对所述催化燃烧器供给的所述原燃料的供给量减少。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制部在要使所述空燃比增大时，停止对所述催化燃烧器供给所述原燃料，并且交替地进行供给的再开始和供给的停止。

10.一种燃料电池系统，具备：

燃料电池；

催化燃烧器，其被供给原燃料和氧化剂，来生成所述原燃料的燃烧气体；

重整器，其用于对所述原燃料进行重整，来生成所述燃料电池的燃料气体；以及

控制部，其控制针对所述催化燃烧器的所述原燃料和所述氧化剂的供给，

其中，在所述燃料电池系统启动时，所述控制部向所述催化燃烧器供给所述原燃料和所述氧化剂，在所述催化燃烧器的温度趋向目标温度上升的过程中穿过所述原燃料的重整反应比所述原燃料的燃烧反应占优势的规定温度区域时，所述控制部使所述氧化剂与所述原燃料的比率即空燃比相比于所述催化燃烧器的温度处于所述规定温度区域外时的空燃比而言增大。

11.一种燃料电池系统的控制方法，用于控制燃料电池系统，该燃料电池系统具备重整器和催化燃烧器，用于向燃料电池供给通过所述重整器中的原燃料的重整所产生的燃料气体，其中，

在所述燃料电池系统启动时，

使所述原燃料在所述催化燃烧器的催化剂上燃烧，

以通过燃烧所产生的燃烧气体为热源，来促进所述燃料电池系统的暖机，

在转为所述催化剂上的所述原燃料的重整反应比所述原燃料的燃烧反应占优势的时期，使针对所述燃烧提供的氧化剂与所述原燃料的比率即空燃比相比于转为所述重整反应占优势的时期前的空燃比而言增大，

其中，在如下情况中的任一情况下，使所述空燃比增大：

在所述燃料电池系统开始启动之后，在所述燃烧气体中的特定气体成分的浓度达到规定浓度时，

在所述燃料电池系统开始启动之后，在所述催化燃烧器的温度达到第一规定温度时，以及

在所述燃料电池系统开始启动之后的经过时间达到规定时间时。

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