JP2019046676A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料を効率よく気化する。【解決手段】燃料電池システム１００は、液体燃料を溜める液体燃料タンク３２からの液体燃料を噴射する噴射装置３５を備え、固体酸化物形の燃料電池１０に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池１０を発電させる。燃料電池システム１００は、噴射装置３５により噴射された噴射燃料を気化して燃料ガスを生成する燃料生成装置３６と、液体燃料タンク３２よりも下流から噴射装置３５に供給される液体燃料を加熱する燃料熱交換器３４とを備える。【選択図】図１

Description

この発明は、液体燃料を気化して燃料電池に燃料ガスを供給する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

固体酸化物形の燃料電池を有する燃料電池システムとして、燃料ガスの生成に必要となる水及び液体燃料を別々のタンクに貯留し、各タンクから供給される水及び液体燃料を気化する気化器を備え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）。この燃料電池システムは、気化器上流の液体燃料を用いてタンクからの水を加熱する。これにより、気化器上流において気化器から発生する熱によって液体燃料が気化することが抑制される。

特開２００６−３５１２９３号公報

上述のような燃料電池システムは、タンクからの水を用いて液体燃料を冷却する構成であるため、液体燃料を冷却した分だけ液体燃料を気化するのに必要となる熱量を増やさなければならなくなる。その結果、燃料生成装置を構成する気化器において、液体燃料を気化するために余計な熱エネルギーが必要になってしまうという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、その目的は、液体燃料を効率よく気化する燃料電池システム及びその制御方法を提供することにある。

本発明のある態様によれば、燃料電池システムは、固体酸化物形の燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を発電させる。この燃料電池システムは、液体燃料を溜めるタンクと、前記液体燃料を噴射する噴射装置と、前記タンクよりも下流から前記噴射装置により噴射された噴射燃料を気化して前記燃料ガスを生成する燃料生成装置と、前記噴射装置に供給される前記液体燃料を加熱する熱交換器と、を備えることを特徴とする。

この態様によれば、燃料電池に供給される燃料ガスの生成に必要となる液体燃料を効率よく気化することができる。

図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成例を示す図である。 図２は、噴射装置に供給される液体燃料の温度と粘性との関係を例示する図である。 図３は、噴射装置に供給される液体燃料の圧力と沸点との関係を例示する図である。 図４は、本実施形態における液体燃料の加熱制御方法の一例を示すフローチャートである。 図５は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成例を示す図である。 図６は、本発明の第３実施形態における燃料電池システムの構成例を示す図である。 図７は、本実施形態における液体燃料の加熱制御方法の一例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成の一例を示す構成図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池１０に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池１０を発電させる。燃料電池システム１００は、例えば、車両、飛行機又は船舶などの移動体に搭載される。本実施形態の燃料電池システム１００は、ハイブリッド車又は電気自動車などの車両に搭載される。

燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、酸化剤供給装置２０と、燃料供給装置３０と、加熱装置４０と、コントローラ５０と、を含む。

燃料電池１０は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する固体酸化物形の燃料電池により構成される。本実施形態の燃料電池１０は、単一の固体酸化物形の燃料電池を複数積層した積層電池である。燃料電池１０は、例えば、自己の温度が６００℃から７００℃に達した状態において、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する。

酸化剤供給装置２０は、燃料電池１０の発電に必要となる酸化剤ガスを燃料電池１０に供給する。酸化剤供給装置２０は、酸化剤供給通路２１と、コンプレッサ２２と、酸化剤熱交換器２３と、を備える。

酸化剤供給通路２１は、燃料電池１０に酸化剤ガスを通す通路である。本実施形態の酸化剤供給通路２１の一端は外気に連通され、他端は燃料電池１０の酸化剤入口孔に接続される。

コンプレッサ２２は、酸化剤供給通路２１に設けられる圧縮機を構成する。コンプレッサ２２は、酸化剤ガスとして外気から空気を吸引するとともにその空気を圧縮して燃料電池１０に供給する。なお、本実施形態では圧縮機としてコンプレッサ２２が用いられているが、コンプレッサ２２の代りにブロアが用いられてもよい。

酸化剤熱交換器２３は、燃料電池１０を暖機するために燃料電池１０に供給される酸化剤ガスを加熱する。本実施形態の酸化剤熱交換器２３は、コンプレッサ２２により供給される空気と、加熱装置４０から排出される加熱ガスとの間で熱交換を行う。酸化剤熱交換器２３は、熱交換によって加熱された空気を燃料電池１０に出力する。

燃料供給装置３０は、燃料電池１０の発電に必要となる燃料ガスを燃料電池１０に供給する。燃料供給装置３０は、燃料供給通路３１と、液体燃料タンク３２と、燃料ポンプ３３と、燃料熱交換器３４と、インジェクタ３５と、気化器３６と、熱交換器３７と、改質器３８と、を備える。

燃料供給通路３１は、燃料電池１０に燃料ガスを供給するための通路である。本実施形態の燃料供給通路３１の一端は液体燃料タンク３２に接続され、他端は燃料電池１０の燃料入口孔に接続される。

液体燃料タンク３２は、燃料ガスの生成に必要となる液体燃料を蓄える容器である。液体燃料としては、含酸素燃料及び水を含む水溶液が用いられる。含酸素燃料とは、アルコール又はメチルターシャリーブチルエーテル（ＭＴＢＥ）などの含酸素化合物を含む燃料のことである。本実施形態の液体燃料タンク３２は、改質用の液体燃料として、例えばエタノール約４０％ｖｏｌのエタノール水溶液を蓄える。

燃料ポンプ３３は、液体燃料タンク３２の内部に配置され、液体燃料タンク３２に蓄えられた液体燃料を燃料熱交換器３４に供給する。燃料ポンプ３３は、液体燃料を圧縮して燃料熱交換器３４に供給する。なお、燃料ポンプ３３は、液体燃料タンク３２とインジェクタ３５との間であればいずれの場所に配置してもよい。

燃料熱交換器３４は、液体燃料タンク３２の下流からインジェクタ３５に供給される液体燃料を加熱する熱交換器を構成する。すなわち、燃料熱交換器３４は、液体燃料タンク３２から流出した液体燃料を加熱する。具体的には、燃料熱交換器３４は、液体燃料タンク３２とインジェクタ３５との間に形成される通路に配置される。

本実施形態の燃料熱交換器３４は、燃料ポンプ３３により供給される液体燃料を加熱する。燃料熱交換器３４は、燃料ポンプ３３からの液体燃料と加熱装置４０からの加熱ガスとの間で熱交換を行う。ここにいう加熱ガスとは、燃料電池１０の発電に必要となる流体を加熱するためのガスであり、例えば、燃料電池１０から排出される排出ガス、液体燃料を燃焼した燃焼ガス、流体を圧縮した圧縮ガス、又は、燃料電池システム１００以外の外部システムから排出される排出ガスなどが挙げられる。

本実施形態の燃料熱交換器３４は、燃料ポンプ３３とインジェクタ３５との間の燃料供給通路３１に配置される。これにより、燃料熱交換器３４に供給される液体燃料が燃料ポンプ３３で圧縮されるので、液体燃料の沸点を高くすることができる。このため、液体燃料が気化しない範囲で液体燃料の温度を上昇させることができる。燃料熱交換器３４は、加熱した液体燃料をインジェクタ３５に出力する。

インジェクタ３５は、液体燃料を噴射する噴射装置を構成する。本実施形態のインジェクタ３５は、燃料ポンプ３３から供給される液体燃料を所定の周期により気化器３６に噴射する。

気化器３６と熱交換器３７と改質器３８とは、インジェクタ３５から噴射された液体燃料である噴射燃料を気化させることにより、燃料ガスを生成する燃料生成装置を構成する。

気化器３６は、インジェクタ３５によって噴射された噴射燃料を気化する。気化器３６は、インジェクタ３５から供給された水溶液を気化することにより、水蒸気に含酸素燃料ガスが含まれる混合ガスを、改質用の燃料ガスとして生成する。気化器３６は、例えば、加熱装置４０により加熱される。

熱交換器３７は、気化器３６から排出される混合ガスを、混合ガスの改質に必要となる所定の温度まで上昇させる。本実施形態の熱交換器３７は、加熱装置４０の熱源自体に接触しており、熱源から生じる熱を用いて気化器３６からの混合ガスを加熱する。

改質器３８は、熱交換器３７から排出される混合ガスを改質して燃料ガスを生成する。本実施形態の改質器３８は、含酸素燃料ガスと水蒸気との混合ガスを改質して水素ガスを生成する。改質器３８は、加熱装置４０により加熱される。

加熱装置４０は、燃料電池１０、気化器３６及び改質器３８を加熱する。例えば、加熱装置４０は、燃料電池１０に供給される酸化剤ガス、インジェクタ３５から噴射された噴射燃料、及び、改質器３８に供給される混合ガスの各々を加熱する。

加熱装置４０は、燃料通路４１と、インジェクタ４２と、燃料電池排気通路４３及び４４と、燃焼器４５と、燃焼器排気通路４６と、を備える。

燃料通路４１は、燃焼器４５に液体燃料を供給するための通路である。本実施形態の燃料通路４１の一端は、燃料熱交換器３４とインジェクタ３５との間の燃料供給通路３１から分岐した通路に接続され、他端はインジェクタ４２に接続される。

インジェクタ４２は、インジェクタ３５と同一の構成であり、燃料ポンプ３３により燃料熱交換器３４から排出される液体燃料を燃焼器４５に噴射する。

燃料電池排気通路４３及び４４は、燃料電池１０から排出される酸化剤ガス及び燃料ガスを燃料電池１０の排出ガスとして燃焼器４５に供給するための通路である。燃料電池排気通路４３の一端は、燃料電池１０の酸化剤排出孔に接続され、他端は燃焼器４５に接続される。燃料電池排気通路４４の一端は、燃料電池１０の燃料排出孔に接続され、他端は燃焼器４５に接続される。

燃焼器４５は、燃料電池１０の排出ガスである酸化剤ガス及び燃料ガスを混合した混合ガスを燃焼させる。また、燃料電池１０の起動直後は、燃料電池１０の発電が行われないため、燃焼器４５は、インジェクタ４２から噴射される液体燃料を燃焼させる。燃焼器４５は、燃料ガス又は液体燃料が燃焼した後の燃焼ガスを燃焼器排気通路４６に排出ガスとして出力する。

燃焼器排気通路４６は、燃焼器４５から排出される排出ガスを燃料電池システム１００の外部に排出するための通路である。燃焼器排気通路４６は、燃焼器４５の排出ガスを、気化器３６、酸化剤熱交換器２３、及び燃料熱交換器３４を順番に経由して外部に排出する。

これにより、燃焼器４５の排出ガスの熱によって、気化器３６の液体燃料、酸化剤熱交換器２３の空気、及び燃料熱交換器３４の液体燃料の各々が加熱される。例えば、気化器３６には約７００℃の排出ガスが供給され、酸化剤熱交換器２３には約４００℃から５００℃の排出ガスが供給され、燃料熱交換器３４には約１００℃から２００℃の排出ガスが供給され、燃料熱交換器３４から数十℃の排出ガスが排出される。

このとき、燃料熱交換器３４において燃焼器４５の排出ガスと燃料ポンプ３３からの液体燃料との間で熱交換が行われるので、燃料熱交換器３４から排出される液体燃料は、液体燃料の沸点よりも低い約百数十℃に加熱される。

コントローラ５０は、燃料電池システム１００の動作を制御する制御装置である。コントローラ５０は、あらかじめ定められた処理がプログラムされた中央演算処理装置（ＣＰＵ；Central Processing Unit）及び記憶装置を備える１つ又は複数のマイクロコンピュータによって構成される。

コントローラ５０は、燃料電池システム１００が起動されると、燃料電池１０への燃料ガス及び酸化剤ガスの各供給流量が目標値となるようにコンプレッサ２２及びインジェクタ３５の各々の動作を制御する。そして燃料電池１０の発電に必要な流体を加熱するために、コントローラ５０は、インジェクタ４２から液体燃料を燃焼器４５に噴射し、燃焼器４５において液体燃料を燃焼させる。

これにより、燃焼器４５自体の熱により熱交換器３７及び改質器３８が加熱される。これとともに、燃焼器４５から排出される燃焼後の排出ガスが気化器３６及び酸化剤熱交換器２３の各々に供給されるので、燃料電池１０に供給される酸化剤ガス、及びインジェクタ３５から噴射される噴射燃料が加熱される。このため、燃料電池１０の温度が徐々に上昇する。

さらに本実施形態では、燃焼器４５からの排出ガスが燃料熱交換器３４に供給されるので、燃料熱交換器３４に供給される液体燃料が気化しない程度に加熱される。これにより、燃料電池システム１００の起動直後において外気温が低いため液体燃料タンク３２の温度が低いような場合に粘度が高い液体燃料がインジェクタ３５に供給されるのを抑制することができる。

したがって、インジェクタ３５から噴射される液体燃料の噴射量が低下するのを抑制することができ、精度よく燃料ガスを燃料電池１０に供給することができる。

図２は、インジェクタ３５に供給される液体燃料の温度及び粘性の関係を例示する図である。

図２に示すように、液体燃料の温度が０℃よりも低くなるほど、急峻に液体燃料の粘度が高くなる。そして液体燃料の粘度が高くなるほど、インジェクタ３５から噴射される液体燃料の噴射量が低下する。その結果、液体燃料の温度が０℃よりも低い状態では燃料電池１０から出力される発電電力が不足することが懸念される。

この対策として、本実施形態ではインジェクタ３５よりも上流に燃料熱交換器３４を配置することにより、インジェクタ３５に供給される液体燃料の粘度を下げることができる。したがって、燃料電池１０に供給される燃料ガスの流量を適切な値に制御することが可能になる。

図３は、インジェクタ３５に供給される液体燃料の圧力及び沸点の関係を例示する図である。

図３に示すように、燃料ポンプ３３とインジェクタ３５との間に燃料熱交換器３４を配置することにより、インジェクタ３５に供給される液体燃料の圧力は、大気圧から燃料ポンプ３３で加圧された液体燃料の圧力を示すポンプ燃圧まで上昇する。このため、インジェクタ３５に供給される液体燃料の沸点を、大気圧での沸点Ｔａからポンプ燃圧での沸点Ｔｆ（いわゆるペーパロック温度）の近傍まで高くすることができる。

このように、液体燃料の沸点を考慮して燃料熱交換器３４の熱交換性能の設計が行われる。具体的には、液体燃料タンク３２における液体燃料温度の想定変動範囲と、燃料熱交換器３４に供給される排出ガス温度の想定変動範囲とにおいて、燃料熱交換器３４から排出される液体燃料の温度が、ポンプ圧力での沸点Ｔｆより低くなるように燃料熱交換器３４の熱交換性能が設計される。

図４は、燃料電池システム１００における液体燃料の加熱制御方法の一例を示すフローチャートである。この例では、燃料電池システム１００が起動されると、液体燃料の加熱制御方法が実施される。

ステップＳ１においてコントローラ５０は、加熱制御方法が開始されると、燃焼器４５を作動させる。本実施形態のコントローラ５０は、コンプレッサ２２を制御して燃料電池１０を介して燃焼器４５に空気を供給するとともに、燃料ポンプ３３を制御して液体燃料をインジェクタ４２に供給し、インジェクタ４２から燃焼器４５に液体燃料を噴射する。

ステップＳ２において燃料熱交換器３４は、燃焼器４５から排出される排出ガスを用いて、燃料ポンプ３３からの液体燃料を加熱する。これにより、インジェクタ３５に供給される液体燃料の粘度を低減することができる。

ステップＳ３においてコントローラ５０は、燃料熱交換器３４によって加熱された液体燃料をインジェクタ３５から気化器３６に噴射する。これにより、液体燃料の温度変動幅が小さくなるので、インジェクタ３５から気化器３６に噴射される液体燃料の噴射量を精度よく制御することができる。

ステップＳ４においてコントローラ５０は、気化器３６を用いて噴射燃料を気化し、改質器３８を用いて気化した噴射燃料を燃料ガスに改質して燃料電池１０に供給する。

ステップＳ５においてコントローラ５０は、燃料電池システム１００の停止指令を受けたか否かを判断する。コントローラ５０は、燃料電池システム１００の停止指令を受けるまで、ステップＳ１乃至Ｓ４の処理を繰り返す。

そして燃料電池システム１００の停止指令を受けると、コントローラ５０は、燃料電池システム１００の液体燃料の加熱制御方法についての一連の処理を終了する。

なお、本実施形態の燃料電池システム１００では燃焼器４５の排出ガスを気化器３６、酸化剤熱交換器２３、燃料熱交換器３４の順に経由させる例について説明したが、燃料電池システム１００の設計によってはこれらの順番を変更してもよい。また、燃焼器４５の排出ガスを少なくとも燃料熱交換器３４を通過させればよく、気化器３６及び酸化剤熱交換器２３の少なくとも一つを経路から省略してもよい。

また、本実施形態では燃料熱交換器３４に加熱ガスとして燃焼器４５の排出ガスを供給する例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池システム１００は、燃焼器４５の排出ガスに代えて、酸化剤熱交換器２３から排出される酸化剤ガスの一部、燃料電池１０から排出される酸化剤ガス、又は、燃料電池１０から排出される燃料ガスを燃料熱交換器３４に供給するものであってもよい。あるいは、ハイブリッド車両に燃料電池システム１００が搭載した場合には、エンジンの排出ガスを燃料熱交換器３４に供給するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、固体酸化物形の燃料電池１０に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池１０を発電させる。燃料電池システム１００は、水を含む液体燃料を溜める液体燃料タンク３２と、液体燃料を噴射する噴射装置を構成するインジェクタ３５と、インジェクタ３５によって噴射された噴射燃料を気化して燃料ガスを生成する燃料生成装置を構成する気化器３６とを含む。

このようにインジェクタ３５を用いて液体燃料を噴射することにより、噴射燃料の粒径が微小になるので、気化器３６において噴射燃料を効率よく気化することが可能になる。

さらに燃料電池システム１００は、液体燃料タンク３２の下流からインジェクタ３５に供給される液体燃料を加熱する燃料熱交換器３４を含む。これにより、インジェクタ３５に供給される液体燃料の粘度が上昇するのを抑制できるので、噴射燃料の流量を精度よく制御することができる。このため、液体燃料の噴射量の誤差を抑制しつつ液体燃料を効率よく気化することができる。

すなわち、本実施形態によれば、図２に示したように液体燃料の粘度上昇に起因する液体燃料の噴射量不足を補うためにインジェクタ３５の噴射回数を余計に増やす必要性が低くなるので、液体燃料を効率よく気化することができる。

また、本実施形態によれば、燃料熱交換器３４は、燃料電池システム１００に備えられた燃焼器４５及び燃料電池１０の一方の作動装置から排出される排出ガスと、燃料ポンプ３３からの液体燃料との間で熱交換を行う。これにより、燃料電池１０の発電のために使用された熱エネルギーを有効に利用することができる。すなわち、燃料電池システム１００で発生さえる熱の回収効率を高めつつ、液体燃料の噴射量を精度良く制御することができる。

本実施形態では燃料熱交換器３４に供給される排出ガスとして、燃焼器４５から排出される燃焼後の排出ガスである燃焼ガスが用いられる。そして、燃料熱交換器３４は、酸化剤熱交換器２３の酸化剤ガスと燃料電池１０の燃料ガスと気化器３６の噴射燃料とのうち少なくとも一つの流体と熱交換を行った後の燃焼ガスを用いて、液体燃料タンク３２からの液体燃料を加熱する。

これにより、燃料熱交換器３４に供給される燃焼ガスの熱により液体燃料が過剰に加熱されるという事態を回避することができる。したがって、燃料熱交換器３４からインジェクタ３５に供給される液体燃料が気化するのを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、燃焼器４５の燃焼ガスは、気化器３６の噴射燃料、酸化剤熱交換器２３の酸化剤ガス、燃料熱交換器３４の液体燃料の順に熱交換が行われる。これにより、燃焼ガスの温度は低下するので、燃料熱交換器３４において燃焼ガスの温度が高過ぎることで液体燃料が気化するという事態を回避することができる。すなわち、燃料熱交換器３４の液体燃料を加熱するのに適した温度の燃焼ガスを燃料熱交換器３４に供給することができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、インジェクタ３５に液体燃料を供給する燃料ポンプ３３をさらに含む。そして燃料熱交換器３４は、燃料ポンプ３３とインジェクタ３５との間に配置される。

このように、燃料ポンプ３３よりも下流に燃料熱交換器３４を配置することにより、燃料ポンプ３３で加圧された液体燃料を燃料熱交換器３４に供給することが可能になる。

図３に示したように、燃料ポンプ３３により液体燃料に加えられる圧力が上昇するほど、液体燃料の飽和蒸気圧、すなわち液体燃料の沸点が高くなる。そしてインジェクタ３５に供給される液体燃料の沸点が高くなるほど、液体燃料が気化しない範囲において液体燃料の温度を高くすることができる。これにより、インジェクタ３５に供給される液体燃料の粘度を低減することが可能になるので、液体燃料の温度低下に伴うインジェクタ３５の噴射量の減少を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池１０を加熱する燃焼器４５に液体燃料を噴射する他の噴射装置を構成するインジェクタ４２をさらに含む。インジェクタ４２は、燃料ポンプ３３とインジェクタ３５との間の燃料供給通路３１から分岐した分岐通路である燃料通路４１に接続され、燃料熱交換器３４は、燃料通路４１よりも上流の燃料供給通路３１に配置される。

これにより、燃料熱交換器３４を二つのインジェクタ３５及び４２の各々に設ける必要がないので、燃料電池システム１００の設置スペースを低減しつつ、インジェクタ３５及び４２の双方の噴射量を精度よく制御することができる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態における燃料電池システム１０１の構成の一例を示す構成図である。

燃料電池システム１０１は、図１に示した燃料電池システム１００の構成に加えて、燃料循環通路３４１及び流量調整弁３４２と、熱交換器迂回通路３４３及び流量調整弁３４４と、排ガス迂回通路３４５及び流量調整弁３４６と、を備えている。なお、他の構成については、燃料電池システム１００の構成と同じであるため、同一符号を付してここでの説明を省略する。

燃料循環通路３４１は、燃料熱交換器３４とインジェクタ３５との間の燃料供給通路３１から分岐した通路であって液体燃料を液体燃料タンク３２に循環させる通路である。本実施形態の燃料循環通路３４１は、燃料熱交換器３４とインジェクタ３５との間の燃料供給通路３１から分岐して液体燃料タンク３２に合流する。

流量調整弁３４２は、燃料循環通路３４１を通過する液体燃料の流量を調整する。本実施形態の流量調整弁３４２は、燃料熱交換器３４への液体燃料の循環流量を調整する三方弁である。流量調整弁３４２は、コントローラ５０により制御される。

例えば、燃料熱交換器３４よりも下流の液体燃料の温度が所定の許容閾値以下である場合には、燃料熱交換器３４から排出される液体燃料の全部を液体燃料タンク３２に排出する。ここにいう許容閾値は、例えば、インジェクタ３５及び４２による液体燃料の噴射量の誤差を許容可能な液体燃料の温度範囲の下限値に設定される。

燃料熱交換器３４よりも下流の液体燃料の温度は、例えば、燃料ポンプ３３と燃料熱交換器３４との間の燃料供給通路３１又は液体燃料タンク３２に設けられる温度センサ３２１の検出値から求められる。上述の許容閾値は、インジェクタ３５による液体燃料の噴射量誤差が小さくなる液体燃料の温度、例えば０℃に設定される。

一方、液体燃料が許容閾値を上回る場合には、流量調整弁３４２は、液体燃料タンク３２に排出される液体燃料の全部をインジェクタ３５及び４２に供給する。これにより、インジェクタ３５及び４２による液体燃料の噴射量の誤差が許容範囲に収まるので、燃料電池１０の出力不足を回避することができる。

熱交換器迂回通路３４３は、燃料熱交換器３４を迂回してインジェクタ３５及び４２に液体燃料を通す通路である。本実施形態の熱交換器迂回通路３４３は、燃料ポンプ３３と燃料熱交換器３４との間の燃料供給通路３１から分岐して、燃料熱交換器３４よりも下流であって燃料通路４１よりも上流の燃料供給通路３１に合流する。

流量調整弁３４４は、熱交換器迂回通路３４３を通過する液体燃料の流量を調整する。本実施形態の流量調整弁３４４は、燃料熱交換器３４を迂回してインジェクタ３５及び４２に供給される液体燃料の流量を調整する三方弁である。流量調整弁３４２は、コントローラ５０により制御される。例えば、燃料熱交換器３４よりも下流の液体燃料の温度が所定の過熱閾値以下である場合には、流量調整弁３４４は、燃料ポンプ３３から吐出される液体燃料の全部を燃料熱交換器３４に供給する。

上述の過熱閾値は、液体燃料の粘度が低くなるように液体燃料の沸点よりも低い温度、例えば約１４０℃に設定される。一方、液体燃料の温度が過熱閾値を上回る場合には、流量調整弁３４４は、燃料熱交換器３４への液体燃料の供給量を減らし、液体燃料の迂回流量を増やす。これにより、インジェクタ３５及び４２よりも下流で液体燃料が気化するのを回避することができる。

排ガス迂回通路３４５は、燃料熱交換器３４を迂回して燃焼器４５の排出ガスを燃料電池システム１０１の外部に通す通路である。本実施形態の排ガス迂回通路３４５は、酸化剤熱交換器２３と燃料熱交換器３４との間の酸化剤供給通路２１から分岐して、燃料熱交換器３４よりも下流の燃焼器排気通路４６に合流する。

流量調整弁３４６は、排ガス迂回通路３４５を通過する排出ガスの流量を調整する。本実施形態の流量調整弁３４６は、燃焼器４５の排出ガスが燃料熱交換器３４を迂回して燃料電池システム１００の外部に排出される流量を調整する三方弁である。流量調整弁３４６は、コントローラ５０により制御される。

例えば、酸化剤熱交換器２３から排出される排出ガスの温度が所定の温調閾値以下である場合には、流量調整弁３４６は、燃焼器４５から燃料熱交換器３４に供給される排出ガスの全部を外部に排出する。酸化剤熱交換器２３から排出される排出ガスの温度は、酸化剤熱交換器２３と燃料熱交換器３４との間の燃焼器排気通路４６に設けられる温度センサ２３１の検出値から求められる。

上述の温調閾値は、燃料熱交換器３４に供給される液体燃料を加熱しすぎる排出ガス温度、例えば約２００℃に設定される。一方、排出ガスの温度が温調閾値を上回る場合には、流量調整弁３４６は、燃料熱交換器３４への排出ガスの供給量を減らし、排出ガスの迂回流量を増やす。これにより、燃料熱交換器３４で液体燃料が気化するのを回避することができる。

本実施形態のコントローラ５０は、燃料熱交換器３４に供給される液体燃料及び排出ガスの温度をそれぞれ検出し、これらの検出値に基づいて流量調整弁３４２、３４４及び３４６の各動作を制御する。

例えば、コントローラ５０は、液体燃料の温度が上述の許容閾値以下である場合には、流量調整弁３４４から燃料熱交換器３４への液体燃料の供給流量を増加させるとともに、流量調整弁３４２から液体燃料タンク３２への液体燃料の循環流量を増加させる。これにより、液体燃料が燃料熱交換器３４を介して液体燃料タンク３２を循環するので、インジェクタ３５及び４２に供給される液体燃料の温度を速やかに上昇させることができる。

また、コントローラ５０は、液体燃料の温度が上述の過熱閾値を上回る場合には、流量調整弁３４４から燃料熱交換器３４への液体燃料の供給流量を減少させるとともに、流量調整弁３４２から液体燃料タンク３２への液体燃料の循環流量を減少させる。これにより、燃料熱交換器３４での液体燃料の加熱量が減少するので、インジェクタ３５及び４２に供給される液体燃料が気化するのを抑制することができる。

あるいは、コントローラ５０は、液体燃料の温度が上述の過熱閾値を上回る場合、又は、燃焼器４５の排出ガス温度が上述の温調閾値を上回る場合に、流量調整弁３４６から燃料熱交換器３４への排出ガスの供給流量を減少させる。このようにしても、燃料熱交換器３４での液体燃料の加熱量が減少するので、インジェクタ３５及び４２に供給される液体燃料が気化するのを抑制することができる。

本発明の第２実施形態によれば、燃料電池システム１０１は、液体燃料を溜める液体燃料タンク３２と、インジェクタ３５よりも上流の燃料供給通路３１から液体燃料を液体燃料タンク３２に循環させる燃料循環通路３４１とを含む。本実施形態の燃料循環通路３４１は、燃料熱交換器３４とインジェクタ３５との間の燃料供給通路３１から分岐して液体燃料タンク３２に合流する。

これにより、インジェクタ３５に供給される液体燃料の一部又は全部が液体燃料タンク３２に排出されるので、燃料熱交換器３４に液体燃料を循環させることができる。これにより、液体燃料の温度が上昇しやすくなるので、インジェクタ３５に供給される液体燃料の温度を、インジェクタ３５の噴射量の誤差を許容できる所定の値まで上昇させることができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池システム１０１は、燃料熱交換器３４を迂回してインジェクタ３５に液体燃料を通す熱交換器迂回通路３４３をさらに含む。これにより、燃料ポンプ３３から吐出される液体燃料の一部又は全部が燃料熱交換器３４を迂回してインジェクタ３５及び４２に供給されるので、液体燃料を過剰に加熱するのを回避することができる。

また、本実施形態によれば、燃料熱交換器３４を迂回して排出ガスを外部に通す排ガス迂回通路３４５をさらに含む。これにより、燃焼器４５の排出ガスの一部又は全部が燃料熱交換器３４を迂回して外部に排出されるので、燃焼器４５の排出ガスにより液体燃料が気化するのを回避することができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池システム１０１は、熱交換器迂回通路３４３を通過する流体である液体燃料の流量を調整する流量調整弁３４４をさらに含む。これにより、液体燃料の温度が所定の加熱閾値を上回る場合には、燃料ポンプ３３から燃料熱交換器３４への液体燃料の供給流量を減少させることができる。

さらに、本実施形態によれば、燃料電池システム１０１は、排ガス迂回通路３４５を通過する流体である排出ガスの流量を調整する流量調整弁３４６さらに含む。これにより、液体燃料の温度が加熱閾値を上回る場合、又は、排出ガスの温度が温調閾値を上回る場合には、燃焼器４５から燃料熱交換器３４への排出ガスの供給流量を減少させることができる。

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態における燃料電池システム１０２の構成の一例を示す構成図である。

燃料電池システム１０２は、図５に示した燃料電池システム１０１の構成に加えて、圧縮ガス迂回通路３４７及び流量調整弁３４８を備えている。なお、他の構成については、燃料電池システム１００の構成と同じであるため、同一符号を付してここでの説明を省略する。

圧縮ガス迂回通路３４７は、コンプレッサ２２によって空気が圧縮された圧縮ガスを、燃料電池１０を迂回して燃料電池システム１０２の外部に通す迂回通路である。本実施形態の圧縮ガス迂回通路３４７は、コンプレッサ２２と酸化剤熱交換器２３との間の酸化剤供給通路２１から分岐して、酸化剤熱交換器２３と燃料熱交換器３４との間の燃焼器排気通路４６に合流する。

流量調整弁３４８は、圧縮ガス迂回通路３４７を通過する圧縮ガスの流量を調整する。本実施形態の流量調整弁３４８は、燃料熱交換器３４への圧縮ガスの供給流量を調整する三方弁である。流量調整弁３４８は、コントローラ５０により制御される。

例えば、燃料電池システム１０２が起動されてから燃焼器４５が作動するまでの特定の期間において、コントローラ５０は、流量調整弁３４８を制御してコンプレッサ２２の圧縮ガスを燃料熱交換器３４に供給する。これにより、燃料熱交換器３４は、コンプレッサ２２で圧縮された空気の一部又は全部と液体燃料との間で熱交換を行う。

一方、特定の期間外においては、コントローラ５０は、流量調整弁３４８を制御してコンプレッサ２２から吐出される空気の全部を燃料電池１０に供給する。

図７は、燃料電池システム１０２における液体燃料の加熱制御方法の一例を示すフローチャートである。

本実施形態の過熱制御方法は、図４に示した第１実施形態におけるコントローラ５０の処理手順に加えて、ステップＳ１１乃至Ｓ１３の処理と、ステップＳ２１乃至Ｓ２４の処理とを備えている。

ステップＳ１１においてコントローラ５０は、燃料電池システム１０２が起動されると、燃料熱交換器３４を介して液体燃料を液体燃料タンク３２に循環させる。例えば、コントローラ５０は、燃料ポンプ３３から吐出される液体燃料の全部を燃料熱交換器３４に供給するように流量調整弁３４４を制御するとともに、燃料熱交換器３４から排出される液体燃料の全部を液体燃料タンク３２に戻すように流量調整弁３４２を制御する。

ステップＳ１２においてコントローラ５０は、燃焼器４５の排出ガスの代わりにコンプレッサ２２で圧縮された空気である圧縮ガスを燃料熱交換器３４に供給する。例えば、コントローラ５０は、コンプレッサ２２から吐出される空気の温度が高くなるようにコンプレッサ２２を制御するとともに、コンプレッサ２２から吐出される空気の全部を燃料熱交換器３４に供給するように流量調整弁３４８を制御する。

ステップＳ１３においてコントローラ５０は、燃料熱交換器３４に供給される液体燃料の温度が上述の許容閾値Ｔｆ_ｌ以上であるか否かを判断する。例えば、液体燃料タンク３２の温度センサ３２１の検出値が所定の許容閾値Ｔｆ_ｌを下回る場合にコントローラ５０は、インジェクタ４２に供給される液体燃料の粘度が高過ぎると判定する。そしてステップＳ２の処理に戻り、コンプレッサ２２の圧縮ガスにより液体燃料の加熱を継続する。

ステップＳ１においてコントローラ５０は、燃料熱交換器３４に供給される液体燃料の温度が許容閾値Ｔｆ_ｌである場合には、燃料電池システム１０２を暖機するために燃焼器４５を作動させる。

本実施形態のコントローラ５０は、コンプレッサ２２から排出される圧縮ガスの全部を、燃料電池１０を介して燃焼器４５に供給するよう流量調整弁３４８を制御する。これ共にコントローラ５０は、燃料熱交換器３４から排出される液体燃料の一部をインジェクタ４２に供給するよう流量調整弁３４２を制御し、インジェクタ４２から所定流量の液体燃料を燃焼器４５に噴射する。これにより、燃焼器４５において液体燃料が燃焼した後の排出ガスが気化器３６及び酸化剤熱交換器２３を介して燃料熱交換器３４に供給される。

ステップＳ２においてコントローラ５０は、燃料熱交換器３４に排出ガスを供給することにより、燃料ポンプ３３から燃料熱交換器３４に供給される液体燃料を加熱する。これにより、インジェクタ３５及び４２に供給される液体燃料の粘度を低減させることができる。

ステップＳ２１においてコントローラ５０は、燃焼器４５からの排出ガスの温度が上述の温調閾値Ｔｅ_ｈ以上であるか否かを判断する。例えば、燃料熱交換器３４と酸化剤熱交換器２３との間の燃焼器排気通路４６又は燃料熱交換器３４の入口に温度センサが設けられ、コントローラ５０は、その温度センサの検出値が所定の温調閾値Ｔｅ_ｈ以上であるか否かを判断する。

なお、コントローラ５０は、燃料熱交換器３４に供給される液体燃料の供給流量が減少するほど、液体燃料が気化しやすくなるので、温調閾値Ｔｅ_ｈを下げるように設定してもよい。これにより、燃料熱交換器３４からインジェクタ３５に供給される液体燃料が気化するのを抑制することができる。

ステップＳ２２においてコントローラ５０は、燃焼器４５からの排出ガスの温度が温調閾値Ｔｅ_ｈ以上である場合には、酸化剤熱交換器２３から燃料熱交換器３４への排出ガスの供給流量が減少するように流量調整弁３４６を制御する。これにより、燃料熱交換器３４において液体燃料が気化するのを抑制することができる。

一方、燃焼器４５からの排出ガスの温度が温調閾値Ｔｅ_ｈを下回る場合には、コントローラ５０は、ステップＳ２２の処理を省略してステップＳ２３の処理を実行する。

ステップＳ２３においてコントローラ５０は、燃料熱交換器３４に供給される液体燃料の温度が上述の過熱閾値Ｔｆ_ｈ以上であるか否かを判断する。例えば、燃料ポンプ３３と燃料熱交換器３４との間の燃料供給通路３１に温度センサが設けられ、コントローラ５０は、その温度センサの検出値が所定の過熱閾値Ｔｆ_ｈ以上であるか否かを判断する。

ステップＳ２４においてコントローラ５０は、燃料熱交換器３４に供給される液体燃料の温度が過熱閾値Ｔｆ_ｈ以上である場合には、熱交換器迂回通路３４３を通過する液体燃料の迂回流量が増加するように流量調整弁３４４を制御する。これにより、燃料熱交換器３４から液体燃料に供給される熱量が減少するので、燃料熱交換器３４において液体燃料が気化するのを回避することができる。

一方、燃料熱交換器３４に供給される液体燃料の温度が過熱閾値Ｔｆ_ｈを下回る場合には、コントローラ５０は、ステップＳ２４の処理を省略してステップＳ３の処理を実行する。

ステップＳ３においてコントローラ５０は、燃料熱交換器３４で加熱された液体燃料をインジェクタ３５により気化器３６に噴射する。これにより、インジェクタ３５から気化器３６に噴射される液体燃料の噴射量を精度よく制御することができる。

ステップＳ４においてコントローラ５０は、気化器３６を用いてインジェクタ３５からの噴射燃料を気化し、気化した噴射燃料を改質器３８において改質し、改質した燃料ガスを燃料電池１０に供給する。

ステップＳ５においてコントローラ５０は、燃料電池システム１０２の停止指令を受けたか否かを判断する。そして燃料電池システム１０２の停止指令を受けるまでコントローラ５０は、一連の処理手順を繰り返す。そしてコントローラ５０は、燃料電池システム１０２の停止指令を受けると、燃料電池システム１０２における液体燃料の加熱制御方法を終了する。

なお、燃料電池システム１０２の停止処理においてコントローラ５０は、インジェクタ３５の動作を停止するとともに、酸化剤熱交換器２３から燃料熱交換器３４への通路を閉じ、排ガス迂回通路３４５を開放するように流量調整弁３４６を制御する。流量調整弁３４６の制御により、燃料熱交換器３４での熱交換を停止する。そして液体燃料の温度が許容閾値Ｔｆ_ｌを下回った場合に、コントローラ５０は、燃料ポンプ３３の動作を停止する。

本発明の第３実施形態によれば、燃料電池システム１０２は、酸化剤ガスである空気を圧縮して燃料電池１０に供給する圧縮機を構成するコンプレッサ２２をさらに含む。そして燃料熱交換器３４は、コンプレッサ２２で空気が圧縮された圧縮ガスの一部又は全部と液体燃料タンク３２の液体燃料との間で熱交換を行う。

コンプレッサ２２から排出される圧縮ガスは高温である。このため、燃焼器４５で燃焼が行われていない場面、すなわち燃焼器４５が作動していない場面において、燃料熱交換器３４に供給される排出ガスとしてコンプレッサ２２の圧縮ガスを用いることにより、燃料熱交換器３４により液体燃料を加熱することができる。

また、燃焼器４５の作動後に、燃焼器４５から燃料熱交換器３４に供給される排出ガスの温度が上昇しすぎた場合には、コントローラ５０は、流量調整弁３４８を制御してコンプレッサ２２から排出される圧縮ガスの一部を燃料熱交換器３４に供給してもよい。これにより、燃料熱交換器３４に供給される排出ガスの温度を低下させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上述の実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上述の実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

なお、上述の実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１００〜１０２ 燃料電池システム
２２ コンプレッサ（圧縮機）
３１ 燃料供給通路（供給通路）
３２ 液体燃料タンク（タンク）
３３ 燃料ポンプ
３４ 燃料熱交換器（熱交換器）
３５ インジェクタ（噴射装置）
４２ インジェクタ（他の噴射装置）
４５ 燃焼器
４６ 気化器（燃料生成装置）
３４１ 燃料循環通路（循環通路）
３４３ 熱交換器迂回通路（迂回通路）
３４４、３４６ 流量調整弁（調整弁）
３４５ 排ガス迂回通路（迂回通路）

Claims (12)

1. 固体酸化物形の燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を発電させる燃料電池システムであって、
   液体燃料を溜めるタンクと、
   前記液体燃料を噴射する噴射装置と、
   前記噴射装置により噴射された噴射燃料を気化して前記燃料ガスを生成する燃料生成装置と、
   前記タンクよりも下流から前記噴射装置に供給される前記液体燃料を加熱する熱交換器と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記熱交換器は、当該燃料電池システムに備えられる燃焼器、前記燃料電池、及び前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する圧縮機のうちのいずれか一つから排出される排出ガスと前記液体燃料との間で熱交換を行う、
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記排出ガスは、前記燃焼器から排出される燃焼ガスを含み、
   前記熱交換器は、前記酸化剤ガス、前記燃料ガス及び前記噴射燃料のうち少なくとも一つの流体と熱交換をした後の前記燃焼ガスを用いて前記液体燃料を加熱する、
   燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記排出ガスは、前記噴射燃料、前記酸化剤ガス、前記液体燃料の順に各流体と熱交換を行う、
   燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記噴射装置に前記液体燃料を供給する燃料ポンプをさらに含み、
   前記熱交換器は、前記燃料ポンプと前記噴射装置との間に配置される、
   燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料ポンプと前記噴射装置との間の供給通路から分岐した分岐通路に接続され、前記燃料電池を加熱する燃焼器に対して前記液体燃料を噴射する他の噴射装置をさらに含み、
   前記熱交換器は、前記分岐通路よりも上流の前記供給通路に配置される
   燃料電池システム。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記熱交換器と前記噴射装置との間の燃料供給通路から分岐した通路であって前記液体燃料を前記タンクに循環させる循環通路と、
   を含む燃料電池システム。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記熱交換器を迂回して前記噴射装置に前記液体燃料を通す迂回通路をさらに含む、
   燃料電池システム。
9. 請求項２から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記熱交換器を迂回して前記熱交換器に供給される排出ガスを外部に通す迂回通路をさらに含む、
   燃料電池システム。
10. 請求項８又は請求項９に記載の燃料電池システムであって、
    前記迂回通路を通過する流体の流量を調整する調整弁さらに含む、
    燃料電池システム。
11. 請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記酸化剤ガスを圧縮して前記燃料電池に供給する圧縮機をさらに含み、
    前記熱交換器は、前記圧縮機により圧縮された前記酸化剤ガスの一部又は全部と前記液体燃料との間で熱交換を行う、
    燃料電池システム。
12. 燃料電池に燃料ガスを供給する燃料電池システムの制御方法であって、
    液体燃料を溜めるタンクから流出した前記液体燃料を加熱する熱交換ステップと、
    前記熱交換ステップにより加熱された前記液体燃料を噴射する噴射ステップと、
    前記噴射ステップにより噴射された噴射燃料を気化して前記燃料ガスを生成する燃料生成ステップと、
    を含む燃料電池システムの制御方法。

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