JP2020113526A - 燃料電池システムおよび燃料電池システム始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】始動の遅れが抑制される燃料電池システム及び燃料電池システム始動方法を提供する。【解決手段】改質燃料と酸化剤ガスを固体酸化物形の燃料電池（１４）に供給して発電させる燃料電池システム（１００）であって、燃料電池（１４）を暖機する燃焼ガスを生成する燃焼器（１６）と、燃焼器（１６）からの燃焼ガスの一部と、燃料供給源（２００）からの燃料との熱交換を行う燃焼器用熱交換器（１８）と、燃焼器（１６）からの燃焼ガスを燃焼器用熱交換器（１８）に供給する燃焼ガス流路（５６）と、熱交換後の燃料を燃焼器（１６）の上流に供給する燃料流路（５３）と、熱交換後の燃焼ガスを改質処理装置（９）を介して排気系（４００）に排出する排気燃焼ガス流路（５７）と、システム始動時に燃焼器（１６）の状態に応じて燃料供給源（２００）から燃焼器用熱交換器（１８）への燃料供給を制御する制御装置（６０）と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システム始動方法に関する。

特許文献１では、蒸発器からの気化燃料を改質器で改質し、改質ガスを燃料電池に供給する燃料改質装置が提案されている。この燃料改質装置では、燃料タンクからの燃料及び燃料電池からの排ガスを燃焼させて燃焼排ガスを生成する触媒燃焼器が設けられており、この生成された燃焼排ガスは蒸発器を介して外部に排気される。

特開２０１３−１０４７０７号公報

特許文献１の燃料改質装置において、当該燃料改質装置の始動時などの触媒燃焼器の温度が比較的低温である場合には、当該触媒燃焼器を触媒燃焼に適切な温度まで昇温させるべく暖機が実行されるシーンが想定される。しかしながら、上記燃料改質装置の構成では、触媒燃焼器の燃焼排ガスが蒸発器を介して外気に流れ出すため、暖機時における触媒燃焼器の温度上昇が遅くなり、燃料電池システムの速やかな始動が妨げられるという問題があった。

したがって、本発明は、始動の遅れが抑制される燃料電池システム及び燃料電池システム始動方法を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、燃料供給源からの燃料を改質処理装置により改質処理した改質処理後の燃料と酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスを固体酸化物形の燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池を暖機する燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスと、燃料供給源からの燃料と、の熱交換を行う燃焼器用熱交換器と、熱交換後の燃料を燃焼器の上流に供給する燃料流路と、熱交換後の燃焼ガスを少なくとも改質処理装置を介して排気系に排出する排気燃焼ガス流路と、燃料電池システムの始動時に燃焼器の状態に応じて少なくとも燃料供給源から燃焼器用熱交換器への燃料供給を制御する制御装置と、を備える。

本発明によれば、燃料電池システムの始動の遅れが抑制される。

図１は、第１実施形態による燃料電池システムの構成の概要を示す図である。 図２は、燃焼器用熱交換器の構成を説明する図である。 図３は、第２実施形態による燃料電池システムの構成の概要を示す図である。 図４は、第３実施形態による燃料電池システムの構成の概要を示す図である。 図５は、第４実施形態による燃料電池システムの構成の概要を示す図である。 図６は、第５実施形態による燃料電池システムの構成の概要を示す図である。 図７は、第６実施形態によるシステム始動時の制御を説明するフローチャートである。 図８Ａは、燃料熱交換器温度を検出する温度センサの配置態様の一例を示す図である。 図８Ｂは、燃料熱交換器温度を検出する温度センサの配置態様の一例を示す図である。 図８Ｃは、燃料熱交換器温度を検出する温度センサの配置態様の一例を示す図である。 図８Ｄは、燃料熱交換器温度を検出する温度センサの配置態様の一例を示す図である。 図９は、第７実施形態によるシステム始動時の制御を説明するフローチャートである。 図１０Ａは、改質器温度を検出する温度センサの配置態様の一例を示す図である。 図１０Ｂは、改質器温度を検出する温度センサの配置態様の一例を示す図である。 図１１は、第８実施形態による燃料電池システムの構成の概要を示す図である。 図１２は、第９実施形態による燃料電池システムの構成の概要を示す図である。 図１３は、第１０実施形態による燃料電池システムの構成の概要を示す図である。 図１４Ａは、サブ熱回収部を備えない燃料電池システムにおいて想定される改善点を説明するための図である。 図１４Ｂは、サブ熱回収部を備えない燃料電池システムにおいて想定される改善点を説明するための図である。 図１５は、第１０実施形態による燃料電池システム始動時の各部の温度及び供給燃料量の経時変化を示すタイミングチャートである。 図１６は、第１１実施形態による燃料電池システムの構成の概要を示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１及び図２を参照して説明する。

図１は、本実施形態による燃料電池システム１００の構成の概要を示す図である。

図示のように、燃料電池システム１００は、主として、改質処理装置９と、燃料電池としての燃料電池スタック１４と、燃焼器１６と、燃焼器用熱交換器１８と、コントローラ６０と、を備える。

改質処理装置９及び燃料電池スタック１４は、燃料を流す主燃料供給路５０を介して燃料供給源である燃料タンク２００に接続されている。また、燃焼器用熱交換器１８の燃料入口１８ａは、主燃料供給路５０から分岐した副燃料供給路５２に接続されている。

主燃料供給路５０には、改質器用蒸発器１０に供給する燃料の量を調節する第１インジェクタ２０が設けられている。副燃料供給路５２には、燃焼器用熱交換器１８に供給する燃料の量を調節する第２インジェクタ２２が設けられている。

また、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１４から排出されるオフガスを燃焼器１６に供給するオフガス配管５４が設けられている。

オフガス配管５４は、燃料電池スタック１４のアノード極出口１４ｃに接続されるアノードオフガス配管５４ａ、及び燃料電池スタック１４のカソード極出口１４ｄに接続されるカソードオフガス配管５４ｂを有する。アノードオフガス配管５４ａには、燃料電池スタック１４のアノード極内からのオフガス（アノードオフガス）が排出される。一方、カソードオフガス配管５４ｂには、燃料電池スタック１４のカソード極内からのオフガス（カソードオフガス）が排出される。

そして、これらアノードオフガス配管５４ａ及びカソードオフガス配管５４ｂは、それぞれアノード極出口１４ｃ及びカソード極出口１４ｄの直後において相互に合流し、一つのオフガス配管５４として燃焼器１６に接続される。

さらに、燃焼器用熱交換器１８の燃料出口１８ｂには、オフガス配管５４に対して合流部Ｊ１で連結する燃料流路５３が接続されている。

一方、本実施形態の燃料電池システム１００には、燃焼器１６で生成される燃焼ガスを燃焼器用熱交換器１８に供給する燃焼ガス流路５６と、後述する燃焼器用熱交換器１８による熱交換後の燃焼ガスを改質処理装置９を介してシステム外部の排気系４００に排出する排気燃焼ガス流路５７が設けられている。なお、燃焼ガス流路５６及び排気燃焼ガス流路５７は、いずれも図上において点線で示している。

以下、燃料電池システム１００の主要な構成についてより詳細に説明する。

改質処理装置９は、燃料タンク２００からの原燃料を、燃料電池スタック１４における発電に用いるために適切な状態とすべく改質処理する装置である。本実施形態の改質処理装置９は、改質器用蒸発器１０及び改質器１２により構成される。

改質器用蒸発器１０は、燃料タンク２００から主燃料供給路５０を介して供給される液体の原燃料（例えば、エタノール水溶液）を、燃焼ガス流路５６を介して供給される燃焼ガスとの熱交換によって加熱して気化させる熱交換器である。

より詳細には、改質器用蒸発器１０は、燃料入口１０ａから燃料出口１０ｂに向かって流れる燃料と、燃焼ガス入口１０ｃから燃焼ガス出口１０ｄに向かって流れる燃焼ガスと、の熱交換を可能とする内部構造を有する。

改質器１２は、改質器用蒸発器１０による気化後の燃料を燃料電池スタック１４に供給するために適切な状態とすべく改質反応させて燃料ガスを生成する。例えば、改質器１２は、図示しない改質用触媒を備え、当該改質用触媒によって改質器用蒸発器１０からの気化燃料を水蒸気改質し、水素を主成分とする改質処理後の燃料ガス（以下では、「改質燃料」とも記載する）を生成する。

また、改質器１２は、改質器用蒸発器１０からの気化燃料を、燃焼ガスとの熱交換によって加熱する機能を有する。すなわち、本実施形態の改質器１２は、気化燃料を改質反応に適した温度とすべく燃焼ガスの保有熱で当該気化燃料を加熱するための内部熱交換器機構を備える。

特に、改質器１２は、燃料入口１２ａから燃料出口１２ｂに向かって流れる気化燃料と、燃焼ガス入口１２ｃから燃焼ガス出口１２ｄに向かって流れる燃焼ガスと、の熱交換を可能とする内部構造を有する。

燃料電池スタック１４は、改質燃料とエアブロア３００からの空気の供給を受けて発電する。燃料電池スタック１４は、複数の単位セルを積層して構成される。特に、燃料電池スタック１４を構成する個々の単位セルは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ:Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）によって構成されている。

また、燃料電池スタック１４のアノード極入口１４ａは、主燃料供給路５０を介して改質器１２の燃料出口１２ｂと接続されている。したがって、第１インジェクタ２０に設定される開度に応じて、改質器１２の燃料出口１２ｂからの改質燃料がアノード極入口１４ａを介して燃料電池スタック１４内に供給される。

さらに、燃料電池スタック１４のカソード極入口１４ｂは、空気流路５８を介して酸化剤ガス供給源としてのエアブロア３００と接続されている。したがって、エアブロア３００に設定される出力に応じた流量の空気がカソード極入口１４ｂを介して燃料電池スタック１４内に供給される。

なお、以下ではエアブロア３００の出力に応じて燃料電池スタック１４に供給される空気の流量（空気流路５８内を流れる空気の流量）を単に「空気流量」とも記載する。

また、エアブロア３００の出力（すなわち、空気流量）は、各部の要求熱量及び燃焼器１６の温度（以下、単に「燃焼器温度」とも記載する）などにより示される燃料電池システム１００の運転状態に応じてコントローラ６０によって適宜設定される。なお、本実施形態において、燃焼器温度とは、排気燃焼ガス流路５７における燃焼器１６の出口の温度を意味する。燃焼器温度は、燃焼器１６の燃焼ガス出口付近の温度を直接検出して取得しても良いし、当該燃焼ガス出口付近の温度に相関する他の燃料電池システム１００内の要素の温度検出値から推定して取得しても良い。また、燃焼器温度を、燃焼器１６の燃焼ガス出口付近の温度に相関する温度以外の他の任意の物理量（各部の熱容量及び保有熱量など）に基づいて推定しても良い。

燃焼器１６は、オフガス配管５４を介して合流部Ｊ１で合流する燃料流路５３からの燃料と燃料電池スタック１４のオフガス（主に残留燃料成分及び空気）の混合ガスを受け、この混合ガスを燃焼させることにより燃焼ガスを生成する。

より詳細には、燃焼器１６は、上記混合ガスを触媒燃焼させるための、白金（Ｐｔ）及びパラジウム（Ｐｄ）等の触媒材料を担体に支持させてなる触媒部を備える。なお、燃焼器１６には、必要に応じて、当該触媒部を加熱するための電気式ヒータが設けても良い。特に、ヒータを設けることで、燃料電池システム１００の始動時などのシーンで触媒部を触媒反応に好適な温度まで昇温させる処理（すなわち、燃焼器１６の暖機）を実行する場合には、当該ヒータにより触媒部の加熱を促進し、燃焼器１６の速やかな暖機を図ることができる。

燃焼器用熱交換器１８は、燃料タンク２００から副燃料供給路５２を介して供給される原燃料を、燃焼器１６から燃焼ガス流路５６を介して供給される燃焼ガスとの熱交換によって加熱する熱交換器である。

図２は、燃焼器用熱交換器１８の構成を説明する図である。特に、図２（Ａ）は燃焼器用熱交換器１８の全体構成の概略斜視図である。また、図２（Ｂ）は、燃焼器用熱交換器１８の熱交換機構を構成する熱交換プレート１８ｅの構成を示す平面図である。

図示のように、燃焼器用熱交換器１８は、燃料入口１８ａから燃料出口１８ｂに向かって流れる燃料と、燃焼ガス入口１８ｃから燃焼ガス出口１８ｄに向かって流れる燃焼ガスと、の熱交換を行うための伝熱領域を構成する複数の熱交換プレート１８ｅを重ね、一対のエンドプレート１８ｆにより両端から挟持してなる構造をとっている。

各熱交換プレート１８ｅは、燃焼ガスを通過させる一対の燃焼ガス通過孔１８ｈ,１８ｉと、燃料を通過させる一対の燃料通過孔１８ｊ,１８ｋと、燃料又は燃焼ガスを流す伝熱路１８ｇと、を有している。なお、燃焼器用熱交換器１８内において、燃料を流す伝熱路１８ｇを有する熱交換プレート１８ｅ及び燃焼ガスを流す伝熱路１８ｇを有する熱交換プレート１８ｅは、交互に配置されている。

図１に戻り、燃料電池システム１００は、さらに、制御装置としてのコントローラ６０を有する。コントローラ６０は、（ＣＰＵ）等の各種演算・制御装置、ＲＯＭ及びＲＡＭ等の各種記憶装置、並びに入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータからなる電子制御ユニットとして構成されている。

本実施形態のコントローラ６０は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、改質器１２への燃料供給、燃焼器用熱交換器１８への燃料供給、及び空気流量を制御するようにプログラムされている。

より詳細には、本実施形態のコントローラ６０は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて設定される燃焼器温度の目標値（以下、「目標燃焼器温度」とも記載する）に応じた空気流量が実現されるように、エアブロア３００の出力を操作する。さらに、コントローラ６０は、設定された空気流量及び現在の運転状態（燃焼器１６の定格運転が可能か否か）などに応じて、第１インジェクタ２０及び第２インジェクタ２２の開度を操作するようにプログラムされている。

特に、本実施形態のコントローラ６０は、燃料電池システム１００の始動時（以下、単に「システム始動時」とも記載する）に燃焼器１６の状態に応じて燃料タンク２００から燃焼器用熱交換器１８への燃料供給を制御する。

ここで、システム始動時とは、燃料電池システム１００の運転が停止している状態（燃料電池スタック１４を含む燃料電池システム１００内の各要素の動作が停止している状態）において、コントローラ６０が外部からのシステム始動指令を検出したことをトリガとして、改質器１２、燃料電池スタック１４、及び燃焼器１６等の燃料電池システム１００内の要素をそれぞれの作動に適した所望温度に昇温させるプロセス（燃料電池システム１００の起動のための暖機運転）が実行されている期間を指す。なお、システム始動時には、燃料電池スタック１４の非発電状態（アイドルストップ状態）からの復帰の際の暖機運転の期間も含まれ得る。

特に、本実施形態では、コントローラ６０は、システム始動時において少なくとも燃焼器温度が定格運転となるまでの間（燃焼器１６に対する暖機が実行されている期間）は、燃料タンク２００から副燃料供給路５２を介して燃焼器用熱交換器１８に原燃料が供給されるように第２インジェクタ２２を操作する。

したがって、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、システム始動時において、燃焼器用熱交換器１８によって原燃料が燃焼器１６からの燃焼ガスとの熱交換で加熱されて、燃料流路５３及びオフガス配管５４を介して燃焼器１６に供給されることとなる。

結果として、燃焼器１６により生成される燃焼ガスの保有熱の一部は、燃焼器１６に供給すべき原燃料の加熱に用いられることとなる。すなわち、本実施形態の燃料電池システム１００の構成によれば、燃焼器１６の生成熱の一部を再び燃焼器１６に戻す熱ループを実現することができる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態では、燃料供給源としての燃料タンク２００からの燃料を改質処理装置９により改質処理し、改質処理後の燃料である改質燃料と酸化剤ガス供給源としての空気ブロア６１からの酸化剤ガス（空気）を固体酸化物形の燃料電池である燃料電池スタック１４に供給して発電させる燃料電池システム１００が提供される。

そして、この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１４を暖機する燃焼ガスを生成する燃焼器１６と、燃焼器１６からの燃焼ガスと、燃料タンク２００からの燃料と、の熱交換を行う燃焼器用熱交換器１８と、熱交換後の燃料を燃焼器１６の上流に供給する燃料流路５３と、熱交換後の燃焼ガスを少なくとも改質処理装置９を介して排気系４００に排出する排気燃焼ガス流路５７と、燃料電池システム１００の始動時に燃焼器１６の状態に応じて燃料タンク２００から燃焼器用熱交換器１８への燃料供給を制御する制御装置としてのコントローラ６０と、を備える。

これにより、システム始動時において、燃焼器用熱交換器１８により原燃料が燃焼器１６からの燃焼ガスとの熱交換により加熱され、加熱後の燃料が燃料流路５３を介して燃焼器１６に供給されることとなる。このため、燃焼器１６の生成熱で加熱された燃料が燃焼器１６における燃焼に用いられることとなるので、燃焼器１６の生成熱の一部を再び燃焼器１６に戻す熱ループが実現されることとなる。したがって、燃焼器１６の暖機時において燃焼器１６の生成熱が逃げてしまうことに起因する暖機速度の低下を抑制し、燃焼器１６の暖機性能（着火性能）を向上させることができる。結果として、この燃焼器１６の暖機を含む燃料電池システム１００の始動時における処理の進行が促進され、燃料電池システム１００の始動の遅れを抑制することができる。

なお、燃料電池システム１００の始動時において、燃焼器１６による定常的な触媒燃焼が可能となるまでは、燃料電池システム１００内における熱を当該燃焼器１６に対する暖機（触媒部に対する加熱）に優先的に用いることが要求される。これに対して、本実施形態の構成では、燃焼器１６、燃焼器用熱交換器１８、燃料流路５３、及び燃焼器１６の間において上述した熱ループが実現されることとなるため、燃料電池システム１００全体に対して燃焼器１６に熱を集中させて触媒部の加熱に用いることができる。特に、燃料電池スタック１４などの他の要素が低温であることに起因してオフガス配管５４を介して低温のガスが燃焼器１６に流入する場合であっても、当該低温のガスによる燃焼器温度の低下を上記熱ループによって好適に抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１００の構成であれば、燃料タンク２００から燃焼器用熱交換器１８への燃料の供給量が大きいほど、燃料と燃焼ガスの熱交換によって燃焼器１６に戻される熱量が大きくなる。このため、燃焼器１６の暖機時において燃焼器用熱交換器１８への燃料の供給量を大きくすることで、燃焼器１６にループさせる生成熱の量をより増大させて、燃料電池システム１００の始動性をさらに向上させることができる。

一方、燃焼器用熱交換器１８において燃料と熱交換された後の燃焼ガスは、排気燃焼ガス流路５７により改質処理装置９を通過させつつ排気系４００に排出される。したがって、燃料との熱交換に用いられた後の燃焼ガスの余剰熱を改質処理装置９で有効利用することができる。

特に、本実施形態の燃料電池システム１００では、改質処理装置９は、燃料タンク２００からの燃料を気化させる改質器用蒸発器１０と、気化後の燃料を改質反応させて改質燃料を生成する改質器１２と、を含む。そして、排気燃焼ガス流路５７は、燃焼器用熱交換器１８の燃焼ガス出口１８ｄから少なくとも改質器用蒸発器１０を通過して排気系４００に繋がるように構成される。

これにより、システム始動時において、燃焼器用熱交換器１８における熱交換の燃焼ガスの余剰熱を改質器用蒸発器１０で回収することができる。すなわち、燃料との熱交換に用いられた後の燃焼ガスの余剰熱を少なくとも改質器用蒸発器１０の暖機に利用することができるところ、燃焼ガスの余剰熱を有効利用することができる。

特に、本実施形態の燃料電池システム１００では、排気燃焼ガス流路５７は、燃焼器用熱交換器１８の燃焼ガス出口１８ｄから改質器１２及び改質器用蒸発器１０をこの順で通過しつつ排気系４００に繋がるように構成される。

これにより、燃料との熱交換に用いられた燃焼ガスの余剰熱を、相対的に要求される熱量が高い改質器１２の暖機に用いた後に、相対的に要求される熱量が低い改質器用蒸発器１０の暖機に用いることができる。すなわち、燃料との熱交換に用いられた後の燃焼ガスを、要求される熱量の大きさに応じた順番で回収することができるので、燃焼ガスの余剰熱をより好適に利用することができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について図３を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。

図３は、本実施形態による燃料電池システム１００の構成の概要を示す図である。

図示のように、本実施形態の燃料電池システム１００では、排気燃焼ガス流路５７が燃焼器用熱交換器１８の燃焼ガス出口１８ｄから改質器用蒸発器１０を通過して排気系４００に繋がるように構成される。また、燃焼ガス流路５６には、改質器１２を通過して排気燃焼ガス流路５７に合流するように分岐した第１ガス分流路５６ａが設けられる。

より詳細には、排気燃焼ガス流路５７は、燃焼器用熱交換器１８の燃焼ガス出口１８ｄから、改質器１２と改質器用蒸発器１０の間の合流部Ｊ３において第１ガス分流路５６ａに合流しつつ、改質器用蒸発器１０を通過して排気系４００に繋がる配管として構成される。すなわち、本実施形態の排気燃焼ガス流路５７は、改質器１２を介していない。

一方、第１ガス分流路５６ａは、燃焼器１６の出口と燃焼器用熱交換器１８の燃焼ガス入口１８ｃとを接続する燃焼ガス流路５６に対して合流部Ｊ２において分岐し、改質器１２を通過して合流部Ｊ３まで伸長する配管として構成される。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態の燃料電池システム１００では、排気燃焼ガス流路５７は、燃焼器用熱交換器１８の燃焼ガス出口１８ｄから改質器用蒸発器１０を通過して排気系４００に繋がるように構成される。また、燃焼器１６と燃焼器用熱交換器１８の間の燃焼ガス流路５６には、改質器１２を通過して排気燃焼ガス流路５７に合流するように分岐した第１ガス分流路５６ａが設けられる。

これにより、改質器１２には、燃焼器１６からの燃焼ガスが第１ガス分流路５６ａを介して燃焼器用熱交換器１８を通過することなく直接供給されることとなる。また、排気燃焼ガス流路５７が改質器１２を介さずに改質器用蒸発器１０に繋がるため、燃焼器用熱交換器１８における燃料との熱交換後の燃焼ガスは、改質器１２に供給されることなく改質器用蒸発器１０に供給されることとなる。

したがって、改質器１２に対しては燃料と熱交換されていない相対的に高い熱量の燃焼ガスを直接供給して当該改質器１２の暖機を促進することができる。特に、燃料との熱交換後の燃焼ガスを改質器１２に供給しないようにしたことで、当該改質器１２に与える熱量を高く維持することができるので、改質器１２の暖機をより促進することができる。一方、改質器用蒸発器１０に対しても、熱交換後の相対的に低い熱量の燃焼ガスが供給されるので、当該改質器用蒸発器１０の暖機も促進することができる。

特に、改質器１２に対する暖機における目標温度は改質反応を好適に実行する観点から、原燃料を気化させることを目的とした改質器用蒸発器１０の目標温度に比べ、例えば数百℃のオーダーで高く設定される。これに対して、本実施形態のように、改質器１２に熱交換前の燃焼ガスを供給しつつ、改質器用蒸発器１０に熱交換後の燃焼ガスを供給する構成であれば、熱交換後の燃焼ガスの余剰熱の有効利用を実現しつつ、改質器１２及び改質器用蒸発器１０に対してそれぞれの要求熱量の違いに応じてバランスのとれた好適な暖機プロセスを実現することができる。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について図４を参照して説明する。なお、第１実施形態又は第２実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。

図４は、本実施形態による燃料電池システム１００の構成の概要を示す図である。

図示のように、本実施形態の燃料電池システム１００では、図１に示す構成に対し、空気流路５８に設けられ、燃料電池スタック１４に供給する酸化剤ガスに対する熱交換を行う酸化剤ガス熱交換器としての空気熱交換器２４をさらに備える点、及び燃焼ガス流路５６に、空気熱交換器２４を通過して排気燃焼ガス流路５７に合流するように分岐した第２ガス分流路５６ｂが設けられた点で異なる。

より詳細には、空気熱交換器２４は、エアブロア３００から空気流路５８を介して供給される空気を、第２ガス分流路５６ｂ内を流れる燃焼ガスとの熱交換によって加熱する熱交換器である。

特に、空気熱交換器２４は、空気入口２４ａから空気出口２４ｂに向かって流れる空気と、燃焼ガス入口２４ｃから燃焼ガス出口２４ｄに向かって流れる燃焼ガスと、の熱交換を可能とする内部構造を有する。

一方、第２ガス分流路５６ｂは、燃焼器１６の出口と燃焼器用熱交換器１８の燃焼ガス入口１８ｃとを接続する燃焼ガス流路５６に対して合流部Ｊ４において分岐し、空気熱交換器２４を通過して合流部Ｊ５において排気燃焼ガス流路５７と合流する。すなわち、空気熱交換器２４において空気との熱交換に用いられた第２ガス分流路５６ｂ内の燃焼ガスは、燃焼器用熱交換器１８における原燃料との熱交換に用いられ及び改質処理装置９を通過した排気燃焼ガス流路５７内の燃焼ガスと合流して排気系４００に排出される。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態の燃料電池システム１００では、エアブロア３００から燃料電池スタック１４に空気を供給する酸化剤ガス流路としての空気流路５８に設けられ、燃料電池スタック１４に供給する空気を加熱する酸化剤ガス熱交換器としての空気熱交換器２４をさらに備える。そして、燃焼器１６と燃焼器用熱交換器１８の間の燃焼ガス流路５６には、空気熱交換器２４を通過して排気燃焼ガス流路５７に合流するように分岐した第２ガス分流路５６ｂが設けられる。

これにより、燃料電池スタック１４には、燃焼器１６からの燃焼ガスが第２ガス分流路５６ｂを介して燃焼器用熱交換器１８を通過することなく直接供給されることとなる。したがって、燃料電池スタック１４に対して燃料と熱交換されていない比較的高い熱量の燃焼ガスを供給して当該燃料電池スタック１４の暖機を促進することができる

（第４実施形態）
以下、第４実施形態について図５を参照して説明する。なお、第１〜３実施形態の何れかで説明した要素と同様の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。

図５は、本実施形態による燃料電池システム１００の構成の概要を示す図である。

本実施形態の燃料電池システム１００では、燃焼器１６が、エアブロア３００から燃料電池スタック１４に空気を供給する空気流路５８に配置される。また、空気熱交換器２４が、空気流路５８における燃焼器１６の下流に設けられている。そして、第１〜第３実施形態の燃焼器用熱交換器１８による燃焼器１６の生成熱をループさせる機能は、この空気熱交換器２４により実現される。すなわち、本実施形態では、空気熱交換器２４が、燃料タンク２００からの原燃料を燃焼器１６により生成される燃焼ガスと熱交換させて加熱する。

より詳細には、空気熱交換器２４の燃料入口２４ｅには副燃料供給路５２が接続されており、燃料出口２４ｆには燃料流路５３が接続される。なお、本実施形態の燃料流路５３は、空気熱交換器２４の燃料出口２４ｆから空気流路５８における燃焼器１６の上流位置の合流部Ｊ６に合流するように構成される。

また、本実施形態では、空気熱交換器２４が空気流路５８における燃焼器１６の下流に設けられているので、当該空気熱交換器２４の空気入口２４ａにはエアブロア３００からの空気と燃焼器１６で生成された燃焼ガスの混合気（以下ではこれも「燃焼ガス」と称する）が流入する。すなわち、本実施形態では、空気流路５８における燃焼器１６から空気熱交換器２４までの経路が燃焼ガス流路５６として機能する。

したがって、本実施形態では、空気熱交換器２４によって、燃料タンク２００からの原燃料を燃焼ガスと熱交換させて加熱することができる。

さらに、本実施形態では、オフガス配管５４が燃料電池スタック１４のオフガス出口（アノード極出口１４ｃ及びカソード極出口１４ｄ）から改質処理装置９を通過しつつ排気系４００に繋がるように構成されている。したがって、原燃料との熱交換後の燃焼ガスは、空気熱交換器２４の空気出口２４ｂから燃料電池スタック１４を介してオフガス配管５４を流れ、改質処理装置９を通過しつつ排気系４００に排出される。

すなわち、本実施形態では、空気流路５８における空気熱交換器２４から燃料電池スタック１４までの経路、及びオフガス配管５４によって排気燃焼ガス流路５７の機能が実現されることとなる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態の燃料電池システム１００では、燃焼器１６は、エアブロア３００から燃料電池スタック１４に空気を供給する空気流路５８に配置される。また、燃焼器用熱交換器１８は、空気流路５８における燃焼器１６の下流に設けられるとともに、燃料電池スタック１４に供給する空気を加熱する空気熱交換器２４により構成される。さらに、燃焼器１６と燃焼器用熱交換器１８の間の燃焼ガス流路５６は、空気流路５８における燃焼器１６から空気熱交換器２４までの経路により構成される。また、排気燃焼ガス流路５７は、空気流路５８における空気熱交換器２４から燃料電池スタック１４までの経路、燃料電池スタック１４内のガス通路（アノード極内通路及びカソード極内通路）、及び燃料電池スタック１４のオフガス出口から改質処理装置９を通過しつつ排気系４００に繋がるように構成されたオフガス排出路としてのオフガス配管５４により構成される。

この構成によっても、燃焼器１６の生成熱の一部を再び燃焼器１６に戻す熱ループを実現することができるため、燃料電池システム１００の始動の遅れを抑制することができる。

また、空気熱交換器２４において燃料と熱交換された後の燃焼ガスは、空気流路５８及びオフガス配管５４を通って、改質処理装置９を通過しつつ排気系４００に排出されることとなる。したがって、燃料との熱交換後の燃焼ガスの余剰熱を改質処理装置９における各要素の暖機に用いることができるところ、燃焼ガスの余剰熱の有効利用も図られる。

（第５実施形態）
以下、第５実施形態について図６を参照して説明する。なお、第１〜４実施形態の何れかで説明した要素と同様の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。

図６は、本実施形態による燃料電池システム１００の構成の概要を示す図である。

図示のように、本実施形態の燃料電池システム１００は、図４で説明した燃料電池システム１００の構成をベースとしつつ、オフガス配管５４における燃料流路５３との合流部Ｊ１の下流で且つ燃焼器１６の上流にミキサ２６が設けられている。

ミキサ２６は、燃焼器１６に供給する燃料と空気を混合する静的ミキサにより構成される。具体的には、ミキサ２６は、オフガス配管５４の流路形状を燃料と空気の混合に適した形状とすることで構成される。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料流路５３と燃焼器１６に設けられるミキサ２６をさらに備える。

これにより、燃焼器用熱交換器１８による熱交換で加熱された燃料を、ミキサ２６によって空気と好適に混合させた状態で燃焼器１６に供給することができる。このため、燃焼器１６における燃焼効率を向上させることができ、燃焼器１６の暖機の促進に寄与することができる。特に、このように燃焼器１６における燃焼効率を高めることができることによって、既に説明した燃焼器１６の生成熱をループさせる効果と相俟って、燃焼器１６の暖機をより促進することができる。

なお、本実施形態では、図４の燃料電池システム１００の構成をベースとしつつ、ミキサ２６を燃料流路５３の合流部Ｊ１と燃焼器１６の間に設ける例を説明した。しかしながら、図１、図３、又は図５の燃料電池システム１００において、燃料流路５３と燃焼器１６の間にミキサ２６を設けても良い。

（第６実施形態）
以下、第６実施形態について図７及び図８Ａ〜図８Ｄを参照して説明する。なお、第１〜第５実施形態の何れかで説明した要素と同様の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。

特に、本実施形態では、図１で説明した燃料電池システム１００におけるシステム始動時における制御を説明する。

図７は、本実施形態による燃料電池システム１００のシステム始動時の制御を説明するフローチャートである。なお、本フローチャートの処理は、コントローラ６０がシステム始動指令を検出したことをトリガとして開始される。

ステップＳ１１０において、コントローラ６０は、エアブロア３００による空気供給を開始する。具体的に、コントローラ６０は、燃焼器温度に基づく所定の空気流量の目標値（以下、「目標空気流量」とも記載する）を設定し、設定された目標空気流量に応じてエアブロア３００の出力を操作する。

ステップＳ１２０において、コントローラ６０は、燃焼器用熱交換器１８の暖機を開始する。具体的に、コントローラ６０は、燃焼器用熱交換器１８に設けられる図示しないヒータの出力を調節して燃焼器用熱交換器１８の暖機を実行する。

ステップＳ１３０において、コントローラ６０は、燃料熱交換器温度Ｔｅｘを取得する。具体的に、コントローラ６０は、燃料電池システム１００内において設置した温度センサ８０の検出値を燃料熱交換器温度Ｔｅｘとして取得する。

図８Ａ〜図８Ｄには、燃料電池システム１００内における温度センサ８０の設置位置の例を示している。

具体的に、図８Ａには、排気燃焼ガス流路５７における改質器用蒸発器１０の燃焼ガス出口１０ｄの下流位置に温度センサ８０が設置される例が示されている。また、図８Ｂには、排気燃焼ガス流路５７における改質器１２の上流位置に温度センサ８０が設置される例が示されている。さらに、図８Ｃには、燃焼器用熱交換器１８自体に温度センサ８０が設置される例が示されている。また、図８Ｄには、燃料流路５３に温度センサ８０が設置される例が示されている。

本実施形態において、コントローラ６０は、これら図８Ａ〜図８Ｄに示す各位置のいずれかに配置された温度センサ８０の検出値、又は２以上の位置に配置された温度センサ８０の検出値の平均値などの組み合わせを燃料熱交換器温度Ｔｅｘとして取得する。

そして、ステップＳ１４０において、コントローラ６０は、燃料熱交換器温度Ｔｅｘが所定の熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈ以上であるか否かを判定する。なお、熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈとは、燃焼器用熱交換器１８における原燃料と燃焼ガスの熱交換を好適に実行する観点から定まる燃料熱交換器温度Ｔｅｘの下限値である。熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈは、燃料電池システム１００の設計態様に応じて定める値であり、例えばコントローラ６０の記憶領域に予め記憶される。

さらに、コントローラ６０は燃料熱交換器温度Ｔｅｘが熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈ以上となるまで当該燃料熱交換器温度Ｔｅｘを監視し、燃料熱交換器温度Ｔｅｘが熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈ以上となったらステップＳ１５０の処理に移行する。

ステップＳ１５０において、コントローラ６０は、燃焼器用熱交換器１８への燃料供給を開始する。具体的に、コントローラ６０は、第２インジェクタ２２を開放する。これにより、燃料タンク２００から副燃料供給路５２を介して燃焼器用熱交換器１８の燃料入口１８ａに原燃料が供給される。

ここで、システム始動時の初期段階で燃焼器１６による燃焼がまだ開始されていないシーンにおいては、燃焼器１６から燃焼ガス流路５６を介して燃焼器用熱交換器１８に流入するガスが比較的低温（例えば常温程度）となる。この場合、原燃料が燃焼器用熱交換器１８の熱交換で十分に加熱されないことが想定される。特に、燃焼器１６における燃焼効率を高める観点から原燃料を燃焼器用熱交換器１８における加熱で気化させて燃焼器１６に供給することが好ましいが、このようなシーンでは燃焼器用熱交換器１８において原燃料を気化できる程度の熱量を確保できないことが想定される。

これに対して、熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈを燃焼器用熱交換器１８において原燃料を気化できる程度に加熱することが可能となる温度に設定しておいて、上述のように燃料熱交換器温度Ｔｅｘが熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈ以上となったら燃焼器用熱交換器１８への燃料供給を開始するようにすれば、原燃料を燃焼器用熱交換器１８における熱交換でより好適に気化させて燃焼器１６に供給することができる。

このため、システム始動時において燃焼器用熱交換器１８への原燃料の供給が開始された直後の段階であっても、燃焼器１６に好適に気化燃料を供給することができるため、燃焼器１６における定格運転の開始（すなわち、燃焼器１６の着火）までの期間を短縮することができる。

さらに、ステップＳ１６０において、コントローラ６０は、再び、燃料熱交換器温度Ｔｅｘが熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈ以上であるか否かを判定する。

本判定を再び実行する意義について説明する。燃焼器用熱交換器１８への燃料の供給を開始してから所定時間の間は、当該燃料を燃焼器１６で燃焼させて生成される燃焼熱が未だ燃焼器用熱交換器１８における熱交換に用いられてない状態であることが想定される。すなわち、燃焼器用熱交換器１８への燃料の供給を開始してから高温の燃焼ガスで当該燃料を加熱できるようになるまでにタイムラグが生じる。そして、このタイムラグの間に、燃焼器用熱交換器１８自身の熱が原燃料に奪われたり、燃料電池スタック１４からオフガス配管５４を介して低温のガスが燃焼器用熱交換器１８に流入するなどして燃料熱交換器温度Ｔｅｘが低下することが想定される。

本実施形態では、このような要因による燃料熱交換器温度Ｔｅｘの低下を検知してそれに対処する観点から、燃焼器用熱交換器１８への燃料供給の開始後に再び燃料熱交換器温度Ｔｅｘが熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈ以上であるか否かの判定を実行し、その判定結果に応じて燃焼器用熱交換器１８に対する原燃料の供給量を調節する。

具体的に、コントローラ６０は、上記ステップＳ１６０において燃料熱交換器温度Ｔｅｘが熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈ未満であると判断すると、ステップＳ１７０の処理に移行する。

ステップＳ１７０において、コントローラ６０は、第２インジェクタ２２の開度を減少させて燃焼器用熱交換器１８への原燃料の供給量を減量する。すなわち、この場合、燃焼器用熱交換器１８への原燃料の供給量を減らすことで燃焼器用熱交換器１８が原燃料から奪われる熱量を低減させる。

そして、コントローラ６０は、燃料熱交換器温度Ｔｅｘを監視し、当該燃料熱交換器温度Ｔｅｘが熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈ以上となるまで、燃焼器用熱交換器１８への原燃料の供給量の減量を継続する。

一方、コントローラ６０は、上記ステップＳ１６０において燃料熱交換器温度Ｔｅｘが熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈ以上であると判断すると、ステップＳ１８０の処理に移行する。

ステップＳ１８０において、コントローラ６０は、第２インジェクタ２２の開度を増加させて燃焼器用熱交換器１８への原燃料の供給量を増量する。

さらに、ステップＳ１９０において、コントローラ６０は、燃焼器用熱交換器１８への原燃料の供給量が、燃焼器１６に定められる定格燃料量に到達したか否かを判定する。なお、定格燃料量とは、燃焼器１６が定格運転されている状態で設定される目標空気流量に応じた燃料量である。

コントローラ６０は、燃焼器用熱交換器１８への原燃料の供給量が定格燃料量に到達していないと判断した場合には、上記ステップＳ１６０の処理に戻る。

一方、コントローラ６０は、燃焼器用熱交換器１８への原燃料の供給量が定格燃料量に到達したと判断した場合には、燃焼器１６の定格運転を開始する。

具体的に、コントローラ６０は、燃焼器１６の定格運転時の目標空気流量を設定し、当該目標空気流量に応じた量の原燃料を燃焼器用熱交換器１８に供給するように第２インジェクタ２２の開度を調節する。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態の燃料電池システム１００は、燃焼器用熱交換器１８の温度である燃料熱交換器温度Ｔｅｘを取得する燃料熱交換器温度取得部としての温度センサ８０をさらに備える（図８Ａ〜図８Ｄ参照）。そして、コントローラ６０は、燃料熱交換器温度Ｔｅｘが熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈ以上となると（図７のステップＳ１４０の「Ｙ」）、燃料タンク２００から燃焼器用熱交換器１８への燃料供給を開始し（ステップＳ１５０）、燃料タンク２００から燃焼器用熱交換器１８への燃料供給の開始後において燃料熱交換器温度Ｔｅｘが熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈ以上となる状態を維持するように燃料の供給量を調節する（ステップＳ１６０及びステップＳ１７０）。

これにより、システム始動時において燃焼器１６の生成熱が、燃焼器用熱交換器１８における燃料を加熱する観点から十分に確保できないシーンにおいても、熱交換可能温度Ｔｅｘ＿ｈ以上に調節された燃焼器用熱交換器１８そのものの熱により原燃料を加熱することができる。したがって、燃焼器１６の着火前（定格運転状態となる前）においても燃焼器用熱交換器１８において燃料を好適に加熱して燃焼器１６に供給することができる。結果として、燃焼器１６の着火を促進することができる。

なお、本実施形態では、図１の燃料電池システム１００の構成に基づいて図７に示すシステム始動時制御を実行する例について説明した。しかしながら、これに代えて、図３〜図６の何れかの燃料電池システム１００の構成に基づいて図７に示すシステム始動時制御を実行することもできる。

また、本実施形態では、図８Ａ〜図８Ｄにおいて燃料熱交換器温度Ｔｅｘを温度センサ８０により取得する例を説明した。しかしながら、燃焼器用熱交換器１８の温度が反映される場所であれば他の場所に設置した温度センサ８０の検出値を燃料熱交換器温度Ｔｅｘとして取得しても良い。また、燃料熱交換器温度Ｔｅｘを、燃料電池システム１００内で取得できる当該燃料熱交換器温度Ｔｅｘに相関する他の物理量（各部の熱量及び熱容量など）に基づいて推定しても良い。さらに、このように他の物理量から推定された推定値と図８Ａ〜図８Ｄで示される位置などに設置される温度センサ８０の検出値を組み合わせて最終的な燃料熱交換器温度Ｔｅｘとして取得しても良い。

（第７実施形態）
以下、第７実施形態について図９、図１０Ａ、及び図１０Ｂを参照して説明する。なお、第１〜第６実施形態の何れかで説明した要素と同様の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。

特に、本実施形態では、図４で説明した燃料電池システム１００におけるシステム始動時の制御の例を説明する。

図９は、本実施形態による燃料電池システム１００のシステム始動時制御を説明するフローチャートである。

先ず、コントローラ６０は、図７で説明したステップＳ１１０〜ステップＳ１９０の処理を実行する。なお、図面簡略化のため、図９においてはステップＳ１１０〜ステップＳ１５０の記載を省略している。

そして、本実施形態のコントローラ６０は、ステップＳ１９０において燃焼器用熱交換器１８への原燃料の供給量が定格燃料量に到達したと判断した場合に、ステップＳ２１０の処理に移行する。

ステップＳ２１０において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１４及び改質器１２の暖機を開始する。

ここで、本実施形態における燃料電池スタック１４の暖機とは、当該燃料電池スタック１４の温度（以下、「スタック温度Ｔｓ」とも記載する）を発電に好適な温度（以下、「スタック暖機目標温度Ｔｓ＿ｔ」とも記載する）まで昇温させる処理を意味する。

特に、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃焼器１６により生成される燃焼ガスが第２ガス分流路５６ｂを介して空気熱交換器２４に供給され、燃料電池スタック１４に供給される空気と熱交換される構成をとっている（図４参照）。したがって、燃焼ガスの熱で燃料電池スタック１４が加熱されて、当該燃料電池スタック１４の暖機が進行する。

また、改質器１２の暖機とは、改質器１２の温度（以下、「改質器温度Ｔｒ」とも記載する）を、改質器用蒸発器１０からの気化燃料を改質させる観点から好適な改質可能温度Ｔｒ＿ｔまで昇温させる処理を意味する。

特に、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃焼器１６により生成される燃焼ガスが燃焼器用熱交換器１８における原燃料との熱交換を経て改質器１２に供給される構成をとっている（図４参照）。したがって、この燃料との熱交換後の燃焼ガスの余剰熱により改質器１２が加熱されて、当該改質器１２の暖機が進行する。

すなわち、本実施形態の燃料電池システム１００の構成によれば、一つの燃焼器１６を作動させることで、燃料電池スタック１４及び改質器１２の双方に対する暖機を並行して実行することができる。

本実施形態のコントローラ６０は、この燃料電池スタック１４及び改質器１２の暖機中において、スタック温度Ｔｓをスタック暖機目標温度Ｔｓ＿ｔに近づけ、且つ改質器温度Ｔｒを改質可能温度Ｔｒ＿ｔに近づける観点から設定される目標燃焼器温度に基づいて目標空気流量を設定し、当該目標空気流量に応じて燃焼器用熱交換器１８への原燃料の供給量を満たすように第１インジェクタ２０及び／又は第２インジェクタ２２の開度を調節する。

そして、ステップＳ２２０において、コントローラ６０は、改質器温度Ｔｒを取得する。具体的に、コントローラ６０は、燃料電池システム１００内において設置した温度センサ８２の検出値を改質器温度Ｔｒとして取得する。

図１０Ａ及び図１０Ｂには、燃料電池システム１００内における温度センサ８２の設置位置の例を示している。

具体的に、図１０Ａには、排気燃焼ガス流路５７における改質器用蒸発器１０の燃焼ガス出口１０ｄの下流位置に温度センサ８２が設置される例が示されている。また、図１０Ｂには、主燃料供給路５０における改質器１２の燃料出口１２ｂの下流位置に設置される例が示されている。

本実施形態において、コントローラ６０は、これら図１０Ａ及び図１０Ｂに示す各位置のいずれかに配置された温度センサ８２の検出値、又はこれらの双方に配置された温度センサ８２の検出値の平均値などの組み合わせを改質器温度Ｔｒとして取得する。

そして、ステップＳ２３０において、コントローラ６０は、改質器温度Ｔｒが改質可能温度Ｔｒ＿ｔ以上であるか否かを判定する。すなわち、本判定は、改質器１２に対する暖機が終了したか否かを判断するものである。なお、改質可能温度Ｔｒ＿ｔは、燃料電池システム１００の設計態様に応じて定める値であり、例えばコントローラ６０の記憶領域に予め記憶される。

コントローラ６０は、改質器温度Ｔｒが改質可能温度Ｔｒ＿ｔ未満であると判断すると、ステップＳ１６０の処理に戻る。一方、コントローラ６０は、改質器温度Ｔｒが改質可能温度Ｔｒ＿ｔ以上であると判断すると、ステップＳ２４０の処理に移行する。

ステップＳ２４０において、コントローラ６０は、改質処理装置９への燃料供給を開始する。具体的に、コントローラ６０は、燃料電池スタック１４の目標発電電力に応じて設定される目標空気流量に応じて改質処理装置９への原燃料の供給量を設定し、第１インジェクタ２０を当該設定された供給量に応じた開度に調節する。

このように、改質器温度Ｔｒが改質可能温度Ｔｒ＿ｔ以上であると判断された場合に、改質処理装置９への燃料供給が開始されることで、改質器１２が改質可能な状態となるタイミング以降に当該改質器１２に燃料を供給し始めることができる。

そして、ステップＳ２５０において、コントローラ６０は、燃焼器用熱交換器１８への原燃料の供給量を減少させる。具体的に、コントローラ６０は、第２インジェクタ２２の開度を減少させる。特に、コントローラ６０は、第２インジェクタ２２の開度を０にして、原燃料の供給量を０に設定する。

ここで、改質器温度Ｔｒが改質可能温度Ｔｒ＿ｔに到達して、改質器１２による改質が可能となったシーンにおいては、基本的に燃焼器用熱交換器１８への燃料の供給が不要となるところ、燃焼器用熱交換器１８への原燃料の供給量を減少させる。これによって、燃焼器用熱交換器１８における原燃料との熱交換によって奪われる燃焼ガスの熱量を低減することができる。

したがって、システム始動時において改質器１２による改質が可能となった以降（改質器１２の暖機の完了以降）は、燃焼器１６の生成熱を燃焼器用熱交換器１８で消費されることなく、改質器１２及び空気熱交換器２４に伝達させることができる。

なお、上記ステップＳ２５０において第２インジェクタ２２の開度を減少させた場合であっても、燃焼器１６には主燃料供給路５０から燃料電池スタック１４及びオフガス配管５４を介して燃料を供給することができる。すなわち、燃料電池スタック１４の目標発電電力に応じて設定される目標空気流量に応じた原燃料の供給量を超えて改質処理装置９に原燃料が供給されるように第１インジェクタ２０の開度を調節することによって、発電で消費しきれない余剰燃料がオフガス配管５４を介して燃焼器１６に供給されるため、当該余剰燃料を燃焼器１６における燃焼に用いることができる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態の燃料電池システム１００は、改質器温度Ｔｒを取得する改質器温度取得部としての温度センサ８２をさらに備える。また、本実施形態のコントローラ６０は、燃料タンク２００から改質処理装置９への燃料供給を制御する。特に、コントローラ６０は、改質器温度Ｔｒが改質可能温度Ｔｒ＿ｔ以上となると（図９のステップＳ２３０の「Ｙ」）、燃料タンク２００から改質処理装置９への燃料供給を開始する（ステップＳ２４０）。

これにより、システム始動時において改質器温度Ｔｒが改質可能温度Ｔｒ＿ｔ以上であると判断された場合に改質処理装置９への燃料供給が開始されるので、改質器１２が改質可能となるタイミング（改質器１２の暖機が完了するタイミング）以降に当該改質器１２に燃料を供給し始めることができる。すなわち、改質器１２による改質反応が可能となった後に改質処理装置９への燃料供給を開始することができる。したがって、システム始動時において、十分に改質されていない状態の燃料が燃料電池スタック１４に供給される事態の発生を抑制することができる。

また、コントローラ６０は、改質器温度Ｔｒが改質可能温度Ｔｒ＿ｔ以上となると、燃料タンク２００から燃焼器用熱交換器１８への燃料の供給量を減少させる（ステップＳ２５０）。特に、コントローラ６０は、改質器温度Ｔｒが改質可能温度Ｔｒ＿ｔ以上となると、燃料タンク２００から燃焼器用熱交換器１８への燃料の供給量を０にする。

これにより、システム始動時における改質器１２の暖機が完了した移行のシーンにおいて、燃焼器用熱交換器１８における原燃料との熱交換によって奪われる燃焼ガスの熱量を低減することができる。したがって、当該改質器１２の暖機が完了した移行は、燃焼器１６の生成熱を燃焼器用熱交換器１８で消費することなく、改質器１２及び空気熱交換器２４に伝達させることができる。結果として、燃焼器１６の生成熱を、改質器１２及び空気熱交換器２４の双方の動作温度の維持により効率的に用いることができる。

なお、本実施形態では、図４の燃料電池システム１００（第３実施形態）の構成に基づいて図９に示すシステム始動時の制御を実行する例について説明した。しかしながら、これに代えて、他の実施形態の燃料電池システム１００の構成に基づいて図９に示すシステム始動時の制御を実行することもできる。

特に、図５又は図６の燃料電池システム１００は、図４の燃料電池システム１００と同様に、燃料電池スタック１４に供給される空気が空気熱交換器２４において燃焼器１６からの燃焼ガスにより加熱される構成をとっている。このため、図５又は図６の燃料電池システム１００においても、改質処理装置９への燃料供給が開始されていない状態（第１インジェクタ２０の開度が０にされている状態）であっても、燃焼器１６が作動していれば、当該燃焼器１６の生成熱で加熱された空気により燃料電池スタック１４の暖機を実行することが可能である。すなわち、改質処理装置９への燃料供給が開始されていない状態でも、燃焼器１６の生成熱によって改質器１２の暖機と並行した燃料電池スタック１４の暖機が可能である。

また、本実施形態では、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて改質器温度Ｔｒを温度センサ８２により取得する例を説明した。しかしながら、改質器１２の温度が反映される場所であれば他の場所に設置した温度センサ８２の検出値を改質器温度Ｔｒとして取得しても良い。また、改質器温度Ｔｒを、燃料電池システム１００内で取得できる当該改質器温度Ｔｒに相関する他の物理量（各部の熱量及び熱容量など）に基づいて推定しても良い。さらに、このように他の物理量から推定された推定値と図１０Ａ又は図１０Ｂで示される位置などに設置される温度センサ８２の検出値を組み合わせて最終的な改質器温度Ｔｒとして取得しても良い。

（第８実施形態）
以下、第８実施形態について図１１を参照して説明する。なお、第１〜第７実施形態の何れかで説明した要素と同様の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。

図１１は、第８実施形態による燃料電池システム１００の構成の概要を示す図である。図示のように、本実施形態の燃料電池システム１００では、図１に示す構成に対し、サブ熱回収部としての第１副熱交換器７０が配置されている。第１副熱交換器７０は、燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスの熱をさらに回収する熱交換器である。すなわち、本実施形態では燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスの熱の少なくとも一部を改質処理装置９における燃料との熱交換で回収するとともに、別途、当該燃焼ガスの熱の少なくとも一部を第１副熱交換器７０によって回収する。

特に、本実施形態の第１副熱交換器７０は、排気燃焼ガス流路５７における改質処理装置９の下流位置であって、副燃料供給路５２における燃焼器用熱交換器１８の上流位置に設けられる。より詳細には、第１副熱交換器７０は、その燃料入口７０ａから燃料出口７０ｂに向かって内部に流れる燃料タンク２００からの燃料と、燃焼ガス入口７０ｃから燃焼ガス出口７０ｄに向かって内部に流れる改質処理装置９（特に改質器用蒸発器１０の燃焼ガス出口１０ｄ）からの燃焼ガスと、の熱交換を行う構造を有している。すなわち、第１副熱交換器７０は、改質処理装置９において燃料との熱交換に用いられた後においても燃焼ガスが保有する熱（残余熱）を回収して、当該残余熱により燃焼器用熱交換器１８に供給される燃料を加熱する。

この第１副熱交換器７０を設けることによる技術的意義について説明する。

既に説明したように、上記図１及び図３〜図７で説明した燃料電池システム１００では、燃焼器用熱交換器１８によって、燃焼器１６の生成熱で加熱された燃料が燃焼器１６における燃焼に用いられることとなるので、燃焼器１６の生成熱の一部を再び燃焼器１６に戻す熱ループが実現されている。

一方で、図１及び図３〜図７で説明した燃料電池システム１００では、燃焼器用熱交換器１８における熱交換を経た燃焼ガスは、排気燃焼ガス流路５７を通って改質処理装置９における熱交換を経て排気系４００に排出される。すなわち、燃焼器用熱交換器１８及び改質処理装置９を通過した燃焼ガスの残余熱がそのまま外部に排気されることとなるため、熱効率の観点からロスが生じ得る。

特に、図１及び図３〜図７の燃料電池システム１００の構成の場合、システム始動時における改質器１２の暖機が、燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスを熱源として実行される。改質器１２の暖機中は改質反応が適切に行われない状態であるため、コントローラ６０は、改質器１２への燃料供給が遮断されるように第１インジェクタ２０を閉塞している。その結果、燃焼器用熱交換器１８から改質処理装置９に供給される燃焼ガスは、改質器１２又は改質器用蒸発器１０において燃料との熱交換が行われることなく、排気系４００に排気されることとなる。すなわち、少なくとも改質器１２の暖機中は、燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスの保有熱が燃料に奪われることなく排気されることとなるため、燃料電池システム１００における熱損失が大きくなることが想定される。

これに対して、本実施形態の燃料電池システム１００では、第１副熱交換器７０を設けている。したがって、燃焼器用熱交換器１８及び改質処理装置９を通過した燃焼ガスの保有する残余熱を第１副熱交換器７０において回収することができるので、燃料電池システム１００における熱損失を低減することができる。

特に、改質処理装置９の熱交換において燃焼ガスが燃料に奪われる熱量が少ないことが想定される改質器１２の暖機中において、第１副熱交換器７０により燃焼ガスの残余熱を回収することで、排気系４００に排気される熱をより効果的に低減することができる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態の燃料電池システム１００は、燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスの熱の少なくとも一部を燃料電池システム１００内で回収するサブ熱回収部としての第１副熱交換器７０をさらに備える。

これにより、燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスが保有する熱量が、改質処理装置９（特に改質器１２）において回収される熱量よりも高い場合においても、その熱量の差分（上記燃焼ガスの残余熱）をそのまま排気することなく、燃料電池システム１００内で回収することができる。したがって、燃料電池システム１００における熱損失を低減することができる。

特に、本実施形態では、サブ熱回収部は、排気燃焼ガス流路５７における改質処理装置９から燃焼ガスが供給されるとともに、この改質処理装置９から燃焼ガスと燃料タンク２００から燃焼器用熱交換器１８に供給される燃料との間で熱交換を行う第１副熱交換器７０として構成される。

これにより、第１副熱交換器７０において燃料が燃焼器用熱交換器１８及び改質処理装置９を通過した燃焼ガスによって加熱されて燃焼器用熱交換器１８に供給されることとなる。すなわち、燃焼器用熱交換器１８、改質処理装置９、及び第１副熱交換器７０の間で熱ループが構成されることとなる。このため、燃焼器用熱交換器１８に供給される燃料の保有熱量をより高くすることができるので、燃焼器用熱交換器１８における熱交換で燃焼ガスが燃料から奪われる熱量が低下することとなる。結果として、燃焼器用熱交換器１８から改質処理装置９に供給される燃焼ガスの保有熱量が高くなって改質処理装置９の加熱の効率を高めることができ、改質器１２の暖機時間をより短くすることができる。

（第９実施形態）
以下、第９実施形態について図１２を参照して説明する。なお、第１〜第８実施形態の何れかで説明した要素と同様の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。

図１２は、第９実施形態による燃料電池システム１００の構成の概要を示す図である。
図示のように、本実施形態の燃料電池システム１００では、図１１に示す構成に対し、エアブロア３００から燃料電池スタック１４に空気を供給する空気流路５８に設けられ、燃料電池スタック１４に供給する空気を加熱する空気熱交換器２４をさらに備えている。

また、燃焼器１６と燃焼器用熱交換器１８の間の燃焼ガス流路５６には、空気熱交換器２４に繋がるように合流部Ｊ４において分岐した第２ガス分流路５６ｂが設けられている。さらに、本実施形態では、第２ガス分流路５６ｂは、合流部Ｊ４から空気熱交換器２４を通過して第１副熱交換器７０の上流の合流部Ｊ５において排気燃焼ガス流路５７に合流するように構成されている。すなわち、第２ガス分流路５６ｂは、排気燃焼ガス流路５７における改質処理装置９の下流位置且つ第１副熱交換器７０の上流位置で排気燃焼ガス流路５７に接続されている。

この構成により、燃焼器１６からの燃焼ガス流路５６に排出される燃焼ガスの少なくとも一部は、空気熱交換器２４において空気流路５８内の空気との熱交換に用いられた後に、改質処理装置９から排気燃焼ガス流路５７に排出された燃焼ガスと合流しつつ、第１副熱交換器７０の燃焼ガス入口７０ｃに供給されることとなる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態の燃料電池システム１００は、エアブロア３００から燃料電池スタック１４に空気を供給する空気流路５８に設けられ、燃料電池スタック１４に供給する空気を加熱する空気熱交換器２４をさらに備える。そして、燃焼器１６と燃焼器用熱交換器１８の間の排気燃焼ガス流路５７には、空気熱交換器２４に接続されるように分岐した第２ガス分流路５６ｂが設けられる。

これにより、燃焼器１６からの燃焼ガス流路５６に排出される燃焼ガスの少なくとも一部を、第２ガス分流路５６ｂを介して空気熱交換器２４に送ることができる。したがって、空気熱交換器２４において、燃焼器１６から排出された高温の燃焼ガスの保有熱により、燃料電池スタック１４に供給する空気を加熱することができる。このため、燃料電池システム１００の始動時において燃料電池スタック１４の暖機をより促進することができる。

特に、本実施形態の第２ガス分流路５６ｂは、燃焼器１６と燃焼器用熱交換器１８の間の燃焼ガス流路５６から空気熱交換器２４を通過して第１副熱交換器７０の上流に合流するように構成されている。

これにより、空気熱交換器２４における熱交換後の燃焼ガスの残余熱を副燃料供給路５２における燃料の加熱に用いることができる。したがって、燃焼ガスの残余熱を燃焼器用熱交換器１８に供給する燃料の加熱に好適に利用することができる。

さらに、本実施形態の第２ガス分流路５６ｂは、排気燃焼ガス流路５７における改質処理装置９の下流位置且つ第１副熱交換器７０の上流位置である合流部Ｊ５に接続される。

これにより、空気熱交換器２４における熱交換後の燃焼ガスは、改質処理装置９から排気燃焼ガス流路５７に排出された燃焼ガスと合流しつつ、第１副熱交換器７０の燃焼ガス入口７０ｃに供給されることとなる。したがって、改質処理装置９からの燃焼ガスの残余熱又は空気熱交換器２４からの燃焼ガスの残余熱の双方を、第１副熱交換器７０における燃料との熱交換に用いることができる。このため、これら燃焼ガスの残余熱の何れか一方が低い場合においても、他方の残余熱で第１副熱交換器７０において燃料を好適に加熱することができる。結果として、副燃料供給路５２における燃料を加熱する熱量に関して、燃料電池システム１００の運転状態の変化に対する依存性を低減し、当該熱量をより安定的に確保することができる。

（第１０実施形態）
以下、第１０実施形態について図１３を参照して説明する。なお、第１〜第９実施形態の何れかで説明した要素と同様の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。

図１３は、第１０実施形態による燃料電池システム１００の構成の概要を示す図である。図示のように、本実施形態の燃料電池システム１００では、第９実施形態における第２ガス分流路５６ｂに代え、排気燃焼ガス流路５７における燃焼器用熱交換器１８と改質器１２の間における合流部Ｊ６から空気熱交換器２４に接続されるように分岐した排気燃焼ガス分流路５７ａが設けられている。この排気燃焼ガス分流路５７ａは、合流部Ｊ６から空気熱交換器２４を通過して排気系４００に接続されるように構成されている。

したがって、本実施形態では、改質処理装置９とは別に燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスの熱の少なくとも一部を燃料電池システム１００内で回収するサブ熱回収部が、空気熱交換器２４及び第１副熱交換器７０の双方によって実現されている。

本実施形態の燃料電池システム１００の構成によれば、上述した燃焼器１６及び燃焼器用熱交換器１８の間における熱ループ、並びに燃焼器用熱交換器１８、改質処理装置９、及び第１副熱交換器７０の間における熱ループを実現しつつも、燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスの熱を空気熱交換器２４における空気の加熱に用いることができる。

なお、以下の説明において、本実施形態における燃料電池システム１００内の各部の温度（図１３においてＴ１〜Ｔ７の符号で示す部分の流路内の流体の温度）を次のように定義する。

・「燃焼器出口温度Ｔ１」：燃焼器１６の出口における燃焼ガス流路５６内の燃焼ガスの温度、
・「熱交換器燃焼ガス出口温度Ｔ２」：燃焼器用熱交換器１８の燃焼ガス出口１８ｄにおける排気燃焼ガス流路５７内の燃焼ガスの温度、
・「改質器燃焼ガス出口温度Ｔ３」：改質器１２の燃焼ガス出口１２ｄにおける排気燃焼ガス流路５７内の燃焼ガスの温度、
・「蒸発器燃焼ガス出口温度Ｔ４」：改質器用蒸発器１０の燃焼ガス出口１０ｄにおける排気燃焼ガス流路５７内の燃焼ガスの温度、
・「第１副熱交換器燃焼ガス出口温度Ｔ５」：第１副熱交換器７０の燃焼ガス出口７０ｄにおける排気燃焼ガス流路５７内の燃焼ガスの温度、
・「第１副熱交換器燃料出口温度Ｔ６」：第１副熱交換器７０の燃料出口７０ｂにおける副燃料供給路５２内の燃料の温度、
・「スタック出口温度Ｔ７」：燃料電池スタック１４のカソード極出口１４ｄにおけるカソードオフガス配管５４ｂ内のガスの温度。

さらに、以下では、第１インジェクタ２０を操作して調節される主燃料供給路５０の燃料（改質処理装置９に供給される燃料）の流量を「主燃料流量Ｆ１」と称する。また、第２インジェクタ２２を操作して調節される副燃料供給路５２の燃料（燃焼器用熱交換器１８に供給される燃料）の流量を「副燃料流量Ｆ２」と称する。

ここで、第１副熱交換器７０を備えない場合におけるシステムにおいて、システム始動時においてさらに改善すべき点について説明する。

図１４Ａ及び図１４Ｂは、サブ熱回収部（特に第１副熱交換器７０）を備えないシステムにおいて想定される改善点を説明するための図である。

特に、図１４Ａは、図１３の燃料電池システム１００をベースとして第１副熱交換器７０が設けられていない場合のシステム構成を示している。また、図１４Ｂは、図４の燃料電池システム１００と同じシステム構成を示している。なお、以下では、説明の便宜上、図１４Ａに示すシステムを「燃料電池システム１１０」と称し、図１４Ｂに示すシステムを「燃料電池システム１２０」と称する。一方で、改質器１２及び燃料電池スタック１４等の各システム構成については、同一の符号を用いる。

先ず、図１４Ａに示す燃料電池システム１１０では、排気燃焼ガス流路５７が燃焼器用熱交換器１８の下流の合流部Ｊ６において分岐し、分岐した排気燃焼ガス分流路５７ａが空気熱交換器２４に接続されている。したがって、空気熱交換器２４には、燃焼器用熱交換器１８において燃料との熱交換によって温度が低下した燃焼ガスが供給される（熱交換器燃焼ガス出口温度Ｔ２＜燃焼器出口温度Ｔ１）。このため、空気熱交換器２４においては、燃料電池スタック１４に供給すべき空気がこの温度が低下した燃焼ガスとの熱交換により加熱されることとなるので、燃料電池スタック１４の暖機に時間がかかる。

次に、図１４Ｂに示す燃料電池システム１２０では、燃焼ガス流路５６から分岐した第２ガス分流路５６ｂによって、燃焼器１６から排出された燃焼ガスが燃焼器用熱交換器１８を介さずに直接空気熱交換器２４に供給される構成をとる。したがって、空気熱交換器２４において高温の燃焼ガスにより燃料電池スタック１４に供給される空気を加熱することができるので、燃料電池スタック１４をより速やかに暖機することができる。

しかしながら、図１４Ｂに示す燃料電池システム１２０は、燃焼器１６から燃焼ガスを空気熱交換器２４に分流する構成であるため、燃焼器１６から燃焼器用熱交換器１８に供給する燃料ガスの流量が低下することとなる。このため、燃焼器用熱交換器１８に供給される燃料ガスの実質的な保有熱量が低下することとなり、当該燃焼器用熱交換器１８を介して改質処理装置９に供給される燃焼ガスの保有熱量も低下することとなる。その結果、当該燃焼ガスから改質器１２の暖機を適切な速度で行うための十分な熱量を確保できず、改質器１２の暖機に時間がかかる。

これに対して、改質器１２の暖機速度を高めるために、燃焼ガス流路５６から燃焼器用熱交換器１８に流れる燃焼ガスの流量を増加させることが考えられる。具体的には、空気熱交換器２４への燃焼ガスの供給流量に対する燃焼器用熱交換器１８への燃焼ガスの供給流量の比（分流比）を増大させる方法をとることができる。しかしながら、この場合、空気熱交換器２４への燃焼ガスの供給流量（実質的な保有熱量）が減少することとなるので、燃料電池スタック１４に供給する空気への加熱量が十分に確保できず、燃料電池スタック１４の暖機の遅れをもたらすことが想定される。

このような状況に対して、図１３に示す本実施形態の燃料電池システム１００の構成であれば、改質器１２及び燃料電池スタック１４の双方の暖機速度の低下を抑制することができる。以下、その詳細な理由について説明する。

図１５は、第１０実施形態による燃料電池システム１００のシステム始動時の各温度Ｔ１〜Ｔ７及び供給燃料量の経時変化を示すタイミングチャートである。参考のため、熱交換器燃焼ガス出口温度Ｔ２、第１副熱交換器燃焼ガス出口温度Ｔ５、第１副熱交換器燃料出口温度Ｔ６、及びスタック出口温度Ｔ７については、図１４Ａ又は図１４Ｂに示す燃料電池システム１１０又は燃料電池システム１２０を前提としたシステム始動時の各温度の経時変化を破線グラフで示す。

なお、燃料電池システム１１０,１２０では、第１副熱交換器７０が設けられていない。そのため、第１副熱交換器燃焼ガス出口温度Ｔ５と対比する温度として、排気系４００の直前の排気燃焼ガス流路５７内の燃焼ガス温度を用いる。また、第１副熱交換器燃料出口温度Ｔ６と対比する温度として、燃焼器用熱交換器１８の上流の副燃料供給路５２内の燃料の温度を用いる。

時刻ｔ１において、コントローラ６０はシステム始動指令を検出すると、暖機運転（燃焼器１６、改質器用蒸発器１０、改質器１２、及び燃料電池スタック１４の暖機）を開始する。暖機の初期段階である時刻ｔ１〜時刻ｔ２においては、コントローラ６０は図示しないヒータを作動させ、エアブロア３００を所定の目標出力に設定しつつ、エアブロア３００によって空気流路５８に供給される空気を加熱する。これにより、この加熱された空気が空気流路５８、オフガス配管５４、燃焼ガス流路５６、及び排気燃焼ガス流路５７を介して燃料電池スタック１４、燃焼器１６、改質器１２、及び改質器用蒸発器１０に供給されることで、これら各装置の暖機が進行する。このため、各部の温度Ｔ１〜Ｔ７が緩やかに増加する（図１５（ａ）〜図１５（ｇ）参照）。

時刻ｔ２において、燃焼器１６の暖機が完了すると（燃焼器温度が、燃焼器１６による燃焼が可能となる目標温度に到達すると）、コントローラ６０は第２インジェクタ２２を開放する。すなわち、副燃料供給路５２を介した燃焼器用熱交換器１８への燃料供給が開始される。そして、燃焼器用熱交換器１８への燃料供給が開始されると、燃焼器１６における燃焼が開始される。したがって、燃焼器１６で生成された燃焼ガスが燃焼ガス流路５６及び排気燃焼ガス流路５７を介して各部に供給されるため、当該燃焼ガスの保有熱量によって燃料電池スタック１４、改質器１２、及び改質器用蒸発器１０の暖機が進行する（図１５（ａ）〜図１５（ｇ）参照）。なお、本実施形態においては、目標とされる燃料供給流量（主燃料流量Ｆ１、副燃料流量Ｆ２、又はこれらの合計の目標値）は、燃焼器出口温度Ｔ１が図１５（ａ）の破線で示す所定の上限温度（燃焼器１６又はその他の各装置の耐熱を考慮して定まる上限）に近づくように定められる。

ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃焼器１６を用いた暖機を行う時刻ｔ２以降において、第１副熱交換器７０が設けられていない燃料電池システム１１０,１２０と比べ、熱交換器燃焼ガス出口温度Ｔ２がより速やかに増加している（図１５（ｂ）参照）。これは、燃焼器用熱交換器１８、改質処理装置９、及び第１副熱交換器７０の間に構成された熱ループによって、燃焼器用熱交換器１８から改質処理装置９に供給される燃焼ガスの保有熱量が高くなったことに起因する。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃焼器１６を用いた暖機を行う時刻ｔ２以降において、第１副熱交換器７０が設けられていない燃料電池システム１１０,１２０と比べ、第１副熱交換器燃焼ガス出口温度Ｔ５が平均的に低くなっている（図１５（ｅ）参照）。これは、第１副熱交換器７０により、改質処理装置９からの燃焼ガスの残余熱が回収されることに起因する。より詳細には、燃料電池システム１１０,１２０の構成であれば、改質処理装置９からの燃焼ガスが直接排気系４００に排気されてしまうのに対して、本実施形態の燃料電池システム１００では改質処理装置９からの燃焼ガスが排気系４００に排気される前に、当該燃焼ガスの保有する残余熱の少なくとも一部を第１副熱交換器７０において燃料との熱交換に用いることができるためである。

また、本実施形態の燃料電池システム１００では、このように第１副熱交換器７０において副燃料供給路５２内の燃料が加熱されるので、燃料電池システム１１０,１２０の場合と比べ、第１副熱交換器燃料出口温度Ｔ６が平均的に高くなる（図１５（ｆ）参照）。これにより、第１副熱交換器７０において燃料を一定程度加熱した後に、当該燃料を燃焼器用熱交換器１８に供給することができる。したがって、燃焼器用熱交換器１８における熱交換で燃料が燃焼ガスから奪う熱量を低下させることができる。結果として、燃焼器用熱交換器１８から改質処理装置９及び空気熱交換器２４へ供給される燃焼ガスの保有熱量をより高くすることができるので、改質器１２及び燃料電池スタック１４の暖機が促進される。

特に、本実施形態の燃料電池システム１００では、時刻ｔ２以降において、燃料電池システム１１０,１２０と比べ、スタック出口温度Ｔ７が図１５（ｇ）に破線で示す目標値により速やかに達している。これは、上述のように、燃焼器用熱交換器１８から空気熱交換器２４へ供給される燃焼ガスの保有熱量がより高くなったことで燃料電池スタック１４の暖機が促進されていることを示すものである。

一方、時刻ｔ３において改質器１２の暖機が完了すると（改質器温度Ｔｒが改質可能温度Ｔｒ＿ｔに達すると）、コントローラ６０は第１インジェクタ２０を開放する。すなわち、燃料タンク２００から主燃料供給路５０を介した改質処理装置９への燃料供給が開始される（図１５（ｈ）参照）。なお、改質処理装置９への燃料供給が開始されると、改質器用蒸発器１０及び改質器１２における燃料と燃焼ガスとの熱交換が開始されることとなる。このため、時刻ｔ３以降においては、燃焼ガスの熱が当該熱交換によって燃料に奪われ始める、蒸発器燃焼ガス出口温度Ｔ４が経時的に低下する（図１５（ｄ）参照）。

さらに、時刻ｔ４において燃料電池スタック１４の暖機が完了すると（スタック温度Ｔｓがスタック暖機目標温度Ｔｓ＿ｔに達すると）、コントローラ６０は第２インジェクタ２２を閉塞する。すなわち、燃料タンク２００から副燃料供給路５２を介した燃焼器用熱交換器１８への燃料供給が停止される（図１５（ｈ）参照）。すなわち、時刻ｔ４以降において、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１４による通常の発電オペレーションに移行することとなる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００であれば、燃焼器１６を用いた暖機中において、熱交換器燃焼ガス出口温度Ｔ２及び第１副熱交換器燃焼ガス出口温度Ｔ５は第１副熱交換器７０が設けられていない燃料電池システム１１０,１２０と比べ高い状態に維持されることとなり、その結果、改質器１２及び燃料電池スタック１４の双方の暖機速度の低下が抑制されることとなる。

なお、本実施形態のように、燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスを分流させる空気熱交換器２４に供給する構成に代えて、改質処理装置９を通過した燃焼ガスを空気熱交換器２４に供給する構成を採用しても良い。

（第１１実施形態）
以下、第１１実施形態について図１６を参照して説明する。なお、第１〜第１０実施形態の何れかで説明した要素と同様の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。

図１６は、第１１実施形態による燃料電池システム１００の構成の概要を示す図である。図示のように、本実施形態の燃料電池システム１００では、排気燃焼ガス流路５７が改質処理装置９を通過して直接、排気系４００に接続される構成をとっている。そして、本実施形態の燃料電池システム１００は、図１１等で説明した第１副熱交換器７０に代えて、第２副熱交換器７１を備えている。

第２副熱交換器７１は、第２ガス分流路５６ｂにおける空気熱交換器２４の下流位置であって、副燃料供給路５２における燃料タンク２００と燃焼器用熱交換器１８の間に設けられている。

より詳細には、第２副熱交換器７１は、その燃料入口７１ａから燃料出口７１ｂに向かって内部に流れる燃料タンク２００からの燃料と、燃焼ガス入口７１ｃから燃焼ガス出口７１ｄに向かって内部に流れる空気熱交換器２４からの燃焼ガスと、の熱交換を行う構造を有している。すなわち、第２副熱交換器７１は、空気熱交換器２４において空気との熱交換に用いられた後の燃焼ガスの残余熱を回収して、当該残余熱により燃焼器用熱交換器１８に供給される燃料を加熱する。

これにより、空気熱交換器２４において空気との熱交換に用いられた後の燃焼ガスの残余熱をそのまま排気系４００に排気することなく、燃焼器用熱交換器１８に供給する燃料の加熱に有効に利用することができる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態の燃料電池システム１００では、エアブロア３００から燃料電池スタック１４に空気を供給する空気流路５８に設けられ、燃料電池スタック１４に供給する空気を加熱する空気熱交換器２４をさらに備える。そして、サブ熱回収部は、燃料タンク２００から燃焼器用熱交換器１８に供給される燃料と空気熱交換器２４からの燃焼ガスとの間で熱交換を行う第２副熱交換器７１として構成される。

これにより、第２副熱交換器７１において、空気熱交換器２４において空気との熱交換を経た燃焼ガスの残余熱を、燃焼器用熱交換器１８に供給される燃料の加熱に用いることができる。すなわち、空気熱交換器２４、第２副熱交換器７１、及び燃焼器用熱交換器１８の間で熱ループが構成されることとなる。このため、副燃料供給路５２を介して燃焼器用熱交換器１８に供給される燃料の保有熱量をより高くすることができるので、燃焼器用熱交換器１８における熱交換で燃焼ガスが燃料から奪われる熱量が低下することとなる。結果として、燃焼器用熱交換器１８から改質処理装置９に供給される燃焼ガスの保有熱量が高くなって改質処理装置９の加熱の効率を高めることができ、改質器１２の暖機時間をより短くすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、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、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更及び修正が可能である。

例えば、上記各実施形態に係る燃料電池システム１００では、改質処理装置９が改質器用蒸発器１０及び改質器１２により構成されることを前提としている。しかしながら、改質器用蒸発器１０を備えず改質器１２のみで改質処理装置９が構成されるシステムにおいても、適宜修正を加えつつ上記各実施形態で説明した特徴的構成（特に燃料流路５３及び排気燃焼ガス流路５７）を採用することが可能である。

また、上記第８〜第１１実施形態では、燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスの熱を回収するサブ熱回収部としての第１副熱交換器７０又は第２副熱交換器７１を備えた燃料電池システム１００の構成を説明した。しかしながら、燃料電池システム１００にサブ熱回収部を備える態様は、上記第８〜第１１実施形態に限られない。

例えば、改質器１２にサブ熱回収部の機能を統合させるための構成を採用しても良い。具体的には、改質器１２において、主燃料供給路５０内の燃料が流れる内部熱交換路及び燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスが流れる内部熱交換路に並列して、他の熱交換が要求される流体（エアブロア３００からの空気、又は副燃料供給路５２内の燃料など）が流れる内部熱交換路を構成することができる。これにより、燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスにより、主燃料供給路５０内の燃料及び他の流体を加熱することができる。また、同様に、空気熱交換器２４にサブ熱回収部の機能を統合させるための構成を採用しても良い。

また、燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスの熱の少なくとも一部を燃料電池システム１００内で回収するサブ熱回収部は、上記第８〜第１１実施形態で説明した空気熱交換器２４、第１副熱交換器７０、及び第２副熱交換器７１に限られない。例えば、サブ熱回収部を、改質処理装置９及び燃料電池スタック１４などのシステム構成要素を収容する筐体の内部空間として構成しても良い。より詳細には、燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスを筐体の内部空間に供給するための配管等の構造を設けても良い。これにより、燃焼器用熱交換器１８からの燃焼ガスの熱を改質処理装置９における熱交換に用いつつ、筐体内のシステム構成要素の加熱（暖機）のための熱源として回収することができる。結果として、システムの熱損失を抑制することができる。

また、上記各実施形態は、当業者が想定し得る範囲で適宜、組み合わせが可能である。

さらに、本明細書に開示された事項には、燃料供給源（燃料タンク２００）からの燃料を改質処理し、改質処理後の燃料と酸化剤ガス供給源（エアブロア３００）からの酸化剤ガス（空気）を固体酸化物形の燃料電池（燃料電池スタック１４）に供給して発電させるとともに、燃料電池スタック１４を暖機する燃焼ガスを生成する燃焼器１６を備える燃料電池システム１００において実行する燃料電池システム始動方法であって、燃料電池システム１００の始動時に、燃焼器用熱交換器１８によって燃料タンク２００から燃焼器１６に供給する燃料を該燃焼器１６が生成する燃焼ガスと熱交換させる燃料電池システム始動方法が含まれる。

この燃料電池システム始動方法によれば、燃焼器１６の生成熱で加熱された燃料を燃焼器１６の燃焼に用いることができるため、燃焼器１６の生成熱の一部を再び燃焼器１６に戻す熱ループを実現することができる。結果として、この燃焼器１６の暖機を含む燃料電池システム１００の始動時における処理の進行が促進され、燃料電池システム１００の始動の遅れを抑制することができる。

９ 改質処理装置
１０ 改質器用蒸発器
１２ 改質器
１４ 燃料電池スタック
１６ 燃焼器
１８ 燃焼器用熱交換器
２０ 第１インジェクタ
２２ 第２インジェクタ
２４ 空気熱交換器
２６ ミキサ
５０ 主燃料供給路
５２ 副燃料供給路
５３ 燃料流路
５４ オフガス配管
５６ 燃焼ガス流路
５６ａ 第１ガス分流路
５６ｂ 第２ガス分流路
５７ 排気燃焼ガス流路
５８ 空気流路
６０ コントローラ
６１ 空気ブロア
７０ 第１副熱交換器
７１ 第２副熱交換器
８０ 温度センサ
８２ 温度センサ
１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池システム
１２０ 燃料電池システム
２００ 燃料タンク
３００ エアブロア
４００ 排気系

Claims (17)

1. 燃料供給源からの燃料を改質処理装置により改質処理した改質燃料と酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスを固体酸化物形の燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池を暖機する燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼器からの燃焼ガスと、前記燃料供給源からの燃料と、の熱交換を行う燃焼器用熱交換器と、
   前記燃焼器用熱交換器からの燃料を前記燃焼器の上流に供給する燃料流路と、
   前記燃焼器用熱交換器からの燃焼ガスを少なくとも前記改質処理装置を介して排気系に排出する排気燃焼ガス流路と、
   燃料電池システムの始動時に前記燃焼器の状態に応じて少なくとも前記燃料供給源から前記燃焼器用熱交換器への燃料供給を制御する制御装置と、を備えた、
   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、
   前記改質処理装置は、前記燃料供給源からの燃料を気化させる改質器用蒸発器と、気化後の燃料を改質反応させて前記改質燃料を生成する改質器と、を含み、
   前記排気燃焼ガス流路は、前記燃焼器用熱交換器の燃焼ガス出口から少なくとも前記改質器用蒸発器を通過して前記排気系に繋がるように構成された、
   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、
   前記排気燃焼ガス流路は、前記燃焼器用熱交換器の燃焼ガス出口から前記改質器及び前記改質器用蒸発器をこの順で通過しつつ前記排気系に繋がるように構成された、
   燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記排気燃焼ガス流路は、前記燃焼器用熱交換器の燃焼ガス出口から前記改質器用蒸発器を通過して前記排気系に繋がるように構成され、
   前記燃焼器と前記燃焼器用熱交換器の間の燃焼ガス流路には、前記改質器を通過して前記排気燃焼ガス流路に合流するように分岐した第１ガス分流路が設けられた、
   燃料電池システム。
5. 請求項２〜４の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記酸化剤ガス供給源から前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス熱交換器をさらに備え、
   前記燃焼器と前記燃焼器用熱交換器の間の燃焼ガス流路には、前記酸化剤ガス熱交換器を通過して前記排気燃焼ガス流路に合流するように分岐した第２ガス分流路が設けられた、
   燃料電池システム。
6. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃焼器は、前記酸化剤ガス供給源から前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路に配置され、
   前記燃焼器用熱交換器は、前記酸化剤ガス流路における前記燃焼器の下流に設けられるとともに、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス熱交換器により構成され、
   前記燃焼器と前記燃焼器用熱交換器の間の燃焼ガス流路が、前記酸化剤ガス流路における前記燃焼器から前記酸化剤ガス熱交換器までの経路により構成され、
   前記排気燃焼ガス流路は、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガス熱交換器から前記燃料電池までの経路、前記燃料電池内のガス流路、及び前記燃料電池のオフガス出口から前記改質処理装置を通過しつつ前記排気系に繋がるように構成されたオフガス排出路により構成された、
   燃料電池システム。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料流路と前記燃焼器の間に設けられるミキサをさらに備える、
   燃料電池システム。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃焼器用熱交換器の温度である燃料熱交換器温度を取得する燃料熱交換器温度取得部をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料熱交換器温度が熱交換可能温度以上となると、前記燃料供給源から前記燃焼器用熱交換器への燃料供給を開始し、
   前記燃料供給源から前記燃焼器用熱交換器への燃料供給の開始後において前記燃料熱交換器温度が前記熱交換可能温度以上となる状態を維持するように燃料の供給量を調節する、
   燃料電池システム。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記改質処理装置における改質器温度を取得する改質器温度取得部をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料供給源から前記改質処理装置への燃料供給を制御し、
   前記改質器温度が改質可能温度以上となると、前記燃料供給源から前記改質処理装置への燃料供給を開始する、
   燃料電池システム。
10. 請求項９に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御装置は、
    前記改質器温度が改質可能温度以上となると、前記燃料供給源から前記燃焼器用熱交換器への燃料の供給量を減少させる、
    燃料電池システム。
11. 請求項１〜３、及び６の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃焼器用熱交換器からの燃焼ガスの熱の少なくとも一部を燃料電池システム内で回収するサブ熱回収部をさらに備える、
    燃料電池システム。
12. 請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
    前記サブ熱回収部は、
    前記排気燃焼ガス流路における前記改質処理装置から燃焼ガスが供給されるとともに、該改質処理装置からの燃焼ガスと前記燃料供給源から前記燃焼器用熱交換器に供給される燃料との間で熱交換を行う第１副熱交換器を含む、
    燃料電池システム。
13. 請求項１１又は１２に記載の燃料電池システムであって、
    前記酸化剤ガス供給源から前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス熱交換器をさらに備え、
    前記燃焼器と前記燃焼器用熱交換器の間の燃焼ガス流路には、前記酸化剤ガス熱交換器に接続されるように分岐した第２ガス分流路が設けられた、
    燃料電池システム。
14. 請求項１３に記載の燃料電池システムであって、
    前記第２ガス分流路は、前記燃焼器と前記燃焼器用熱交換器の間の燃焼ガス流路から前記酸化剤ガス熱交換器を通過して前記サブ熱回収部の上流に合流するように構成された、
    燃料電池システム。
15. 請求項１４に記載の燃料電池システムであって、
    前記第２ガス分流路は、前記排気燃焼ガス流路における前記改質処理装置の下流位置且つ前記サブ熱回収部の上流位置に接続された、
    燃料電池システム。
16. 請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
    前記酸化剤ガス供給源から前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス熱交換器をさらに備え、
    前記サブ熱回収部は、前記燃料供給源から前記燃焼器用熱交換器に供給される燃料と前記酸化剤ガス熱交換器からの燃焼ガスとの間で熱交換を行う第２副熱交換器を含む、
    燃料電池システム。
17. 燃料供給源からの燃料を改質処理し、改質処理後の燃料と酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスを固体酸化物形の燃料電池に供給して発電させるとともに、前記燃料電池を暖機する燃焼ガスを生成する燃焼器を備える燃料電池システムにおいて実行する燃料電池システム始動方法であって、
    前記燃料電池システムの始動時に、燃焼器用熱交換器において前記燃料供給源から前記燃焼器に供給する燃料を該燃焼器が生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱する、
    燃料電池システム始動方法。

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