JP2023113252A - 燃料電池システムおよび燃料電池スタックの昇温方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックが発電可能な温度になるまでの時間を短縮する。【解決手段】燃料電池システムの制御ユニット（１４）は、起動用燃焼器による燃焼を実行させる第１昇温処理部（６８）と、スタック温度および改質器温度が第１温度閾値以上になった場合に、排ガス燃焼器による燃焼を実行させる第２昇温処理部と、排ガス燃焼器による燃焼が実行された後、起動用燃焼器および排ガス燃焼器による燃焼を実行させる第３昇温処理部（７２）と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池スタックの昇温方法に関する。

固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）は、６００℃～１０００℃の比較的高温で発電可能になる。したがって、固体酸化物形燃料電池セルが発電可能な温度になるまで、固体酸化物形燃料電池セルを昇温可能な燃料電池システムが必要である。

下記特許文献１の燃料電池システムは、改質器と、燃料電池スタックと、排ガス燃焼器と、起動用燃焼器とを備える。改質器は、原燃料ガスを水蒸気改質する。燃料電池スタックは、水蒸気改質された改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有する。排ガス燃焼器は、燃料電池スタックから排出される改質ガスである燃料排ガスと、燃料電池スタックから排出される酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させる。起動用燃焼器は、原燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させる。

下記特許文献１の燃料電池システムでは、改質器温度およびスタック温度が水蒸気凝縮温度未満の場合には、起動用燃焼器による原燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼が実行される。一方、改質器温度およびスタック温度が水蒸気凝縮温度以上の場合、原燃料ガスの供給先が起動用燃焼器から改質器に切り替えられる。この場合、起動用燃焼器による改質ガスと酸化剤ガスとの燃焼が続行される。

特開２０１６－１５４０６７号公報

上記特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池スタックが発電可能な温度になるまで、起動用燃焼器による燃焼が実行される。しかしながら、燃料電池スタックが発電可能な温度になるまでの時間をさらに短縮することが求められている。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明の一態様は、発電ユニットと、制御ユニットとを備える燃料電池システムであって、前記発電ユニットは、原燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、水蒸気改質された改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから供給される前記改質ガスおよび前記酸化剤ガスを燃焼させる排ガス燃焼器と、前記燃料電池スタックから供給される前記酸化剤ガスと、前記原燃料ガスとを燃焼させる起動用燃焼器と、を有し、前記制御ユニットは、前記燃料電池スタックの温度であるスタック温度を検出するスタック温度センサと、前記改質器の温度である改質器温度を検出する改質器温度センサと、前記発電ユニットを制御して前記原燃料ガスを前記起動用燃焼器に供給し、前記起動用燃焼器による燃焼を実行させる第１昇温処理部と、前記スタック温度および前記改質器温度が第１温度閾値以上になった場合に、前記発電ユニットを制御して前記原燃料ガスの供給先を前記起動用燃焼器から前記改質器に切り替え、前記排ガス燃焼器による燃焼を実行させる第２昇温処理部と、前記排ガス燃焼器による燃焼が実行された後、前記発電ユニットを制御して前記起動用燃焼器および前記改質器の双方に前記原燃料ガスを供給し、前記起動用燃焼器および前記排ガス燃焼器による燃焼を実行させる第３昇温処理部と、を有する。

本発明の他の一態様は、改質器により水蒸気改質された改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池スタックの昇温方法であって、原燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させる起動用燃焼器に前記原燃料ガスを供給し、前記起動用燃焼器による燃焼を実行させる第１昇温ステップと、前記燃料電池スタックの温度であるスタック温度と、前記改質器の温度である改質器温度とが第１温度閾値以上になった場合に、前記原燃料ガスの供給先を前記起動用燃焼器から前記改質器に切り替え、前記燃料電池スタックから排ガス燃焼器に供給される前記改質ガスおよび前記酸化剤ガスの燃焼を前記排ガス燃焼器に実行させる第２昇温ステップと、前記排ガス燃焼器による燃焼が実行された後、前記起動用燃焼器および前記改質器の双方に前記原燃料ガスを供給し、前記起動用燃焼器および前記排ガス燃焼器による燃焼を実行させる第３昇温ステップと、を含む。

本発明の態様によれば、起動用燃焼器のみによる燃焼後に排ガス燃焼器のみによる燃焼を実行させる場合に比べて、燃料電池スタックが発電可能になるまでの時間を短縮することができる。

図１は、実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図２は、制御ユニットの構成を示すブロック図である。 図３は、第１昇温処理の流れを示すフローチャートである。 図４は、第１昇温処理時のガスの流れを示す図である。 図５は、温度の推移を示すグラフである。 図６は、流量の推移を示すグラフである。 図７は、第２昇温処理の流れを示すフローチャートである。 図８は、第２昇温処理時のガスの流れを示す図である。 図９は、第３昇温処理の流れを示すフローチャートである。 図１０は、第３昇温処理時のガスの流れを示す図である。 図１１は、第１制御マップを示す図である。 図１２は、第２制御マップを示す図である。 図１３は、変形例による燃料電池システムの構成を示す概略図である。

図１は、実施形態による燃料電池システム１０の構成を示す概略図である。燃料電池システム１０は、発電ユニット１２と、制御ユニット１４とを備える。

発電ユニット１２は、燃料電池スタック１６を備える。燃料電池スタック１６は、複数の燃料電池１７を収容する。複数の燃料電池１７は積層される。各燃料電池１７は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電を行う。燃料ガスは水素を含むガスであり、酸化剤ガスは酸素を含むガスである。燃料ガスとして天然ガス、石油ガス、液化石油等の原燃料ガスを水蒸気改質した改質ガスが挙げられる。酸化剤ガスとして空気が挙げられる。

燃料電池１７は、膜電極構造体とセパレータとを有する。膜電極構造体は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極と、電解質膜の他方の面に設けられたカソード電極とを有する。電解質膜は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体により構成し得る。セパレータは、膜電極構造体を挟持する。

燃料電池スタック１６は、第１入口部１６－１と、第２入口部１６－２と、第１出口部１６－３と、第２出口部１６－４とを有する。

第１入口部１６－１と第１出口部１６－３とには、燃料電池スタック１６の内部に形成された第１スタック内流路が接続される。第１スタック内流路は、第１入口部１６－１から供給された改質ガスを各燃料電池１７のアノード電極に供給し、当該アノード電極に取り込まれなかった改質ガスを含む燃料排ガスを第１出口部１６－３から排出するための流路である。

第２入口部１６－２と第２出口部１６－４には、燃料電池スタック１６の内部に形成された第２スタック内流路が接続される。第２スタック内流路は、第２入口部１６－２から供給された酸化剤ガスを各燃料電池１７のカソード電極に供給し、当該カソード電極で取り込まれなかった酸化剤ガスを含む酸化剤排ガスを第２出口部１６－４から排出するための流路である。

燃料電池システム１０は、酸化剤ポンプ１８、ガス缶体２０、水ポンプ２１、蒸発器２２、改質器２４、排ガス燃焼器２６、起動用燃焼器２８、酸化剤ガス予熱器３０、排気触媒３２、原燃料ポンプ３３、第１開閉弁３４－１、第２開閉弁３４－２および固定絞り部３５をさらに備える。

酸化剤ポンプ１８は、酸化剤ガスを発電ユニット１２のガス缶体２０に導入する。酸化剤ポンプ１８は、導入される酸化剤ガスの流量を調整可能に構成される。酸化剤ガスの流量は、制御ユニット１４によって調整される。

ガス缶体２０は、酸化剤ガスを貯める。また、ガス缶体２０は、発電ユニット１２内の高温部材からの輻射熱を吸収する。ガス缶体２０に貯まる酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６に流入する。酸化剤ガス流路３６は、ガス缶体２０から燃料電池スタック１６に酸化剤ガスを流すための流路である。酸化剤ガス流路３６は、ガス缶体２０と燃料電池スタック１６の第２入口部１６－２とを接続する。

水ポンプ２１は、水を蒸発器２２に供給する。水ポンプ２１は、蒸発器２２に供給する水の流量を調整可能に構成される。水の流量は、制御ユニット１４によって調整される。

蒸発器２２は、第１原燃料ガス流路３８上に設けられる。第１原燃料ガス流路３８は、改質器２４に原燃料ガスを流すための流路である。第１原燃料ガス流路３８は、原燃料ポンプ３３と改質器２４とを接続する。蒸発器２２は、水ポンプ２１から供給される水を蒸発させる。蒸発器２２は、蒸発により得られた水蒸気を、第１原燃料ガス流路３８を流れる原燃料ガスと混合し、当該水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを、第１原燃料ガス流路３８を介して、改質器２４に供給する。

改質器２４は、第１原燃料ガス流路３８を介して供給される原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを水蒸気改質する。すなわち、改質器２４は、原燃料ガスに含まれるエタン、プロパン、ブタン等の高級炭化水素を、主として水素および一酸化炭素を含む燃料ガス（改質ガス）に改質する。また、改質器２４は、水蒸気改質により得られた改質ガスを、改質ガス流路４０に供給する。改質ガス流路４０は、改質器２４から燃料電池スタック１６に改質ガスを流すための流路である。改質ガス流路４０は、改質器２４と燃料電池スタック１６の第１入口部１６－１とを接続する。

排ガス燃焼器２６は、第１グロープラグ２６Ｘを有する。第１グロープラグ２６Ｘは、燃料排ガスと酸化剤排ガスとの混合ガスを点火するための部材である。排ガス燃焼器２６には、燃料排ガス流路４２を介して燃料排ガスが供給される。燃料排ガス流路４２は、燃料電池スタック１６から排ガス燃焼器２６に燃料排ガスを流すための流路である。燃料排ガス流路４２は、燃料電池スタック１６の第１出口部１６－３と排ガス燃焼器２６とを接続する。

また、排ガス燃焼器２６には、酸化剤排ガス流路４４を介して酸化剤排ガスが供給される。酸化剤排ガス流路４４は、燃料電池スタック１６から排ガス燃焼器２６に酸化剤排ガスを流すための流路である。酸化剤排ガス流路４４は、燃料電池スタック１６の第２出口部１６－４と排ガス燃焼器２６とを接続する。

排ガス燃焼器２６は、燃料排ガス流路４２を介して供給される燃料排ガス（改質ガス）を燃焼させる。排ガス燃焼器２６は、燃焼により得られた燃焼排ガスを、排ガス流路４６に出力する。排ガス流路４６は、改質器２４、蒸発器２２、起動用燃焼器２８、酸化剤ガス予熱器３０および排気触媒３２をこの順に通過する。

起動用燃焼器２８は、第２グロープラグ２８Ｘを有する。第２グロープラグ２８Ｘは、原燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを点火するための部材である。起動用燃焼器２８には、第２原燃料ガス流路４８を介して原燃料ガスが供給される。第２原燃料ガス流路４８は、起動用燃焼器２８に原燃料ガスを流すための流路である。第２原燃料ガス流路４８は、第１原燃料ガス流路３８から分岐し、起動用燃焼器２８に接続される。

起動用燃焼器２８は、第２原燃料ガス流路４８を介して供給される原燃料ガスを燃焼させる。燃焼により得られた燃焼ガスは、排ガス流路４６を流れる。排ガス流路４６を流れる燃焼ガスは、酸化剤ガス予熱器３０を経由し、排気される。

酸化剤ガス予熱器３０は、酸化剤ガス流路３６を流れる酸化剤ガスを、排ガス流路４６を流れる燃焼ガスまたは燃焼排ガスとの熱交換によって加熱する。加熱された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６を介して燃料電池スタック１６に供給される。

排気触媒３２は、排ガス流路４６を流れる燃焼ガスまたは燃焼排ガスに含まれる不純物を除去する。不純物が除去された燃焼ガスまたは燃焼排ガスは、排ガス流路４６を介して外部に排気される。

原燃料ポンプ３３は、原燃料ガスを第１原燃料ガス流路３８に供給する。原燃料ポンプ３３は、第１原燃料ガス流路３８に供給する原燃料ガスの流量を調整可能に構成される。原燃料ガスの流量は、制御ユニット１４によって調整される。

第１開閉弁３４－１は、第１原燃料ガス流路３８のうち、第２原燃料ガス流路４８が接続される接続部分と蒸発器２２との間に設けられる。第２開閉弁３４－２は、第２原燃料ガス流路４８に設けられる。固定絞り部３５は、第２原燃料ガス流路４８のうち、第２開閉弁３４－２と起動用燃焼器２８との間に設けられる。第１開閉弁３４－１の開閉および第２開閉弁３４－２の開閉は、制御ユニット１４によって制御される。

図２は、制御ユニット１４の構成を示すブロック図である。制御ユニット１４は、スタック温度センサ５０、改質器温度センサ５２、排ガス燃焼器温度センサ５４、起動用燃焼器温度センサ５６、記憶部６２、ＰＣＳ６４およびＥＣＵ６６を有する。

スタック温度センサ５０は、燃料電池スタック１６の温度であるスタック温度を検出するセンサである。スタック温度センサ５０は、燃料電池スタック１６に設けられる。スタック温度センサ５０は、好ましくは、燃料電池スタック１６のうち、昇温時の温度上昇率が低くなり易い部位に設けられる。温度上昇率が低くなり易い燃料電池スタック１６の部位は、燃料電池１７の積層方向の中間に対応する部分である。スタック温度センサ５０は、燃料電池スタック１６の表面に配置されてもよいし、燃料電池スタック１６の内部に配置されてもよい。スタック温度センサ５０は、燃料電池スタック１６の温度（スタック温度）を検出し、検出信号をＥＣＵ６６に出力する。

改質器温度センサ５２は、改質器２４の温度である改質器温度を検出するセンサである。改質器温度センサ５２は、改質器２４近くの改質ガス流路４０に設けられる。改質器温度センサ５２は、改質器２４の表面に配置されてもよいし、改質器２４の内部に配置されてもよい。改質器温度センサ５２は、改質器２４の温度（改質器温度）を検出し、検出信号をＥＣＵ６６に出力する。

排ガス燃焼器温度センサ５４は、排ガス燃焼器２６の温度である排ガス燃焼器温度を検出するセンサである。排ガス燃焼器温度センサ５４は、排ガス燃焼器２６に設けられる。排ガス燃焼器温度センサ５４は、排ガス燃焼器２６の表面に配置されてもよいし、排ガス燃焼器２６の内部に配置されてもよい。排ガス燃焼器温度センサ５４は、排ガス燃焼器２６の温度（排ガス燃焼器温度）を検出し、検出信号をＥＣＵ６６に出力する。

起動用燃焼器温度センサ５６は、起動用燃焼器２８の温度である起動用燃焼器温度を検出するセンサである。起動用燃焼器温度センサ５６は、起動用燃焼器２８に設けられる。起動用燃焼器温度センサ５６は、起動用燃焼器２８の表面に配置されてもよいし、起動用燃焼器２８の内部に配置されてもよい。起動用燃焼器温度センサ５６は、起動用燃焼器２８の温度（起動用燃焼器温度）を検出し、検出信号をＥＣＵ６６に出力する。

記憶部６２は、ＲＡＭ等の揮発性メモリと、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスク等の不揮発性メモリとを含む。記憶部６２の少なくとも一部がＥＣＵ６６に備えられていてもよい。

ＰＣＳ６４は、燃料電池スタック１６に収容される各燃料電池１７のアノード電極とカソード電極とに接続される。ＰＣＳ６４は、電化製品等の外部負荷に応じて各燃料電池１７の出力（発電電力）を制御する。また、ＰＣＳ６４は、燃料電池スタック１６に収容される各燃料電池１７での発電により得られた発電電力の一部を電子機器に出力する。電子機器は、水ポンプ２１、第１グロープラグ２６Ｘ、第２グロープラグ２８Ｘ、原燃料ポンプ３３、酸化剤ポンプ１８、記憶部６２、および、ＥＣＵ６６の少なくとも１つを含む。

ＥＣＵ６６は、ＣＰＵ、ＧＰＵ等のプロセッサによって構成される。ＥＣＵ６６は、第１昇温処理部６８、第２昇温処理部７０および第３昇温処理部７２を有する。プロセッサが記憶部６２に記憶されたプログラムを実行すると、ＥＣＵ６６が第１昇温処理部６８、第２昇温処理部７０および第３昇温処理部７２として実現される。なお、第１昇温処理部６８、第２昇温処理部７０および第３昇温処理部７２の少なくとも１つが、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の集積回路によって実現されてもよい。また、第１昇温処理部６８、第２昇温処理部７０および第３昇温処理部７２の少なくとも１つが、ディスクリートデバイスを含む電子回路によって構成されてもよい。

第１昇温処理部６８による第１昇温処理を図３～図６を用いて説明する。図３は、第１昇温処理の流れを示すフローチャートである。図４は、第１昇温処理時のガスの流れを示す図である。図５は、温度の推移を示すグラフである。図６は、流量の推移を示すグラフである。第１昇温処理は、例えば、起動ボタンがオン操作された場合に開始され、ステップＳ１に移行する。

ステップＳ１において、第１昇温処理部６８は、起動用燃焼器２８の第２グロープラグ（起動バーナ）２８Ｘをオンにする。その後、第１昇温処理はステップＳ２に移行する。なお、排ガス燃焼器２６の第１グロープラグ（オフガスバーナ）２６Ｘはオフのままである。

ステップＳ２において、第１昇温処理部６８は、発電ユニット１２に原燃料ガスおよび酸化剤ガスを導入する。すなわち、第１昇温処理部６８は、第１開閉弁３４－１を閉めるとともに、第２開閉弁３４－２を開ける。その後、第１昇温処理部６８は、原燃料ポンプ３３を制御して原燃料ガスを第１原燃料流量で第２原燃料ガス流路４８に導入する。また、第１昇温処理部６８は、酸化剤ポンプ１８を制御して酸化剤ガスを初期酸化剤流量でガス缶体２０に導入する。第１原燃料流量および初期酸化剤流量は、記憶部６２に記憶される。

第２原燃料ガス流路４８に導入された原燃料ガスは、第２原燃料ガス流路４８を介して、起動用燃焼器２８に供給される（図４参照）。ガス缶体２０に導入された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６、燃料電池スタック１６、酸化剤排ガス流路４４、排ガス燃焼器２６および排ガス流路４６を介して起動用燃焼器２８に供給される（図４参照）。起動用燃焼器２８では、原燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼が開始される。したがって、起動用燃焼器２８の温度が上昇する（図５の第１昇温プロセス参照）。

起動用燃焼器２８による燃焼により得られる燃焼ガスは、起動用燃焼器２８から排ガス流路４６を介して酸化剤ガス予熱器３０に供給される（図４参照）。酸化剤ガス予熱器３０では、燃焼ガスとの熱交換によって、酸化剤ガス流路３６を流れる酸化剤ガスが加熱され、加熱された空気は、燃料電池スタック１６の第２スタック内流路を流れる。したがって、燃料電池スタック１６の温度が上昇する（図５の第１昇温プロセス参照）。

燃料電池スタック１６から流出した加熱空気は、酸化剤排ガス流路４４を介して、排ガス燃焼器２６に流入する。したがって、排ガス燃焼器２６の温度が上昇する（図５の第１昇温プロセス参照）。排ガス燃焼器２６に流入した加熱空気は、排ガス流路４６に流出する。したがって、排ガス流路４６が通過する改質器２４および蒸発器２２の温度も上昇する（図５の第１昇温プロセス参照）。なお、排ガス流路４６は、酸化剤ガス予熱器３０および排気触媒３２にも通過する。したがって、図５に示されていないが、酸化剤ガス予熱器３０および排気触媒３２の温度も上昇する。

このように、発電ユニット１２に導入された原燃料ガスおよび酸化剤ガスが起動用燃焼器２８に供給されると、当該原燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼が開始されることで、発電ユニット１２の各機器の温度が上昇する。原燃料ガスおよび酸化剤ガスが発電ユニット１２に導入されると、第１昇温処理はステップＳ３に移行する。

ステップＳ３において、第１昇温処理部６８は、起動用燃焼器２８による燃焼が失火したか否か判断する。すなわち、第１昇温処理部６８は、起動用燃焼器温度センサ５６によって検出される起動用燃焼器温度に基づいて温度上昇率を計測し、当該温度上昇率を所定の第１上昇率閾値と比較する。第１上昇率閾値は、本実施形態では、６００℃／５分である。温度上昇率が第１上昇率閾値未満である場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、第１昇温処理部６８は、起動用燃焼器２８による燃焼が失火したと判断する。この場合、第１昇温処理はステップＳ４に移行する。逆に、温度上昇率が第１上昇率閾値以上である場合（ステップＳ３：ＮＯ）、第１昇温処理部６８は、起動用燃焼器２８による燃焼が失火していないと判断する。この場合、第１昇温処理はステップＳ５に移行する。

ステップＳ４において、第１昇温処理部６８は、原燃料ポンプ３３を制御して原燃料ガスの導入を停止する。その後、第１昇温処理はステップＳ２に戻る。この場合、ガス缶体２０への酸化剤ガスの導入は継続する。また、第１開閉弁３４－１は閉められたままであり、第２開閉弁３４－２は開けられたままである。したがって、第１昇温処理がステップＳ４からステップＳ２に戻る場合、第１昇温処理部６８は、原燃料ポンプ３３のみを制御し、原燃料ガスを第１原燃料流量で第１原燃料ガス流路３８に再導入する。

ステップＳ５において、第１昇温処理部６８は、酸化剤ポンプ１８を制御して、酸化剤ガスの流量を、初期酸化剤流量よりも大きい第１酸化剤流量に増加させる。このとき、第１昇温処理部６８は、時間経過に応じて酸化剤ガスの流量を段階的に増加させる（図６のＡ＿１参照）。

第１酸化剤流量は、記憶部６２に記憶される。ステップＳ２において導入される原燃料ガスの第１原燃料流量に対する、第１酸化剤流量の流量比は、原燃料ガス（Ｆ）に対する酸化剤ガス（Ａ）のモル比（Ａ／Ｆ）が所定値となるように設定される。本実施形態では、Ａ／Ｆが１５である。酸化剤ガスの流量が増加されると、第１昇温処理はステップＳ６に移行する。

ステップＳ６において、第１昇温処理部６８は、スタック温度センサ５０によって検出されるスタック温度と、改質器温度センサ５２によって検出される改質器温度とを、所定の第１温度閾値と比較する。第１温度閾値は、改質器２４内、および、燃料電池スタック１６内で水蒸気が凝縮しない温度である。第１温度閾値は、記憶部６２に記憶される。本実施形態では、第１温度閾値は１２０℃である。スタック温度および改質器温度の少なくとも一方が第１温度閾値未満である場合（ステップＳ６：ＮＯ）、第１昇温処理部６８は、改質器２４による水蒸気改質が不可能と判断する。この場合、第１昇温処理はステップＳ６に留まる。逆に、スタック温度および改質器温度が第１温度閾値以上の場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、第１昇温処理部６８は、改質器２４による水蒸気改質が可能と判断する。この場合、第１昇温処理はステップＳ７に移行する。

ステップＳ７において、第１昇温処理部６８は、水ポンプ２１を制御して水を第１水流量で蒸発器２２に導入する（図６のＡ＿２参照）。第１水流量は、第１原料流量に対する第１水流量の流量比が目標比率を充足するように設定される。目標比率は、原燃料ガスに含まれる炭素量（Ｃ）に対する水蒸気量（Ｓ）の比率（Ｓ／Ｃ）であり、本実施形態では、２．２～３．０の範囲から選定される。水の導入が開始されてから所定の待機時間が経過すると、第１昇温処理は終了し、第２昇温処理が開始される。待機時間は、蒸発器２２が水を安定して蒸発させるために設定される時間であり、記憶部６２に記憶される。

このように、第１昇温処理部６８は、第１昇温処理では、起動用燃焼器２８によって燃焼された燃焼ガスを熱源として、発電ユニット１２の各機器を暖める。

次に、第２昇温処理部７０による第２昇温処理を図５～図８を用いて説明する。図７は、第２昇温処理の流れを示すフローチャートである。図８は、第２昇温処理時のガスの流れを示す図である。上記の第１昇温処理が終了すると、第２昇温処理が開始され、当該第２昇温処理はステップＳ１１に移行する。

ステップＳ１１において、第２昇温処理部７０は、起動用燃焼器２８の第２グロープラグ（起動バーナ）２８Ｘをオフにするとともに、排ガス燃焼器２６の第１グロープラグ（オフガスバーナ）２６Ｘをオンにする。その後、第２昇温処理部７０は、第１開閉弁３４－１を開けるとともに、第２開閉弁３４－２を閉める。第１開閉弁３４－１が開けられ、第２開閉弁３４－２が閉められると、第２昇温処理はステップＳ１２に移行する。

第１開閉弁３４－１が開けられ、第２開閉弁３４－２が閉められると、第１原燃料ガス流路３８を流れる原燃料ガスは、蒸発器２２を介して改質器２４に供給される（図８参照）。改質器２４では、原燃料ガスが水蒸気改質されて改質ガスが得られる。改質ガスは、燃料電池スタック１６の第１スタック内流路を流れ、当該第１スタック内流路を流れる改質ガスを含む燃料排ガスは、燃料電池スタック１６から燃料排ガス流路４２を介して排ガス燃焼器２６に流入する（図８参照）。

排ガス燃焼器２６では、燃料電池スタック１６から酸化剤排ガス流路４４を介して供給される酸化剤ガスを含む酸化剤排ガスと、燃料排ガスとの燃焼が開始される。この燃焼により、排ガス燃焼器２６が単位時間あたりに上昇する温度上昇率は、第１昇温処理時に比べて急激に大きくなる（図５の第２昇温プロセス参照）。また、排ガス燃焼器２６の近くに設けられる改質器２４は、排ガス燃焼器２６の温度上昇に応じて急激に上昇する（図５の第２昇温プロセス参照）。

排ガス燃焼器２６で燃焼された燃焼排ガスが流れる排ガス流路４６は、蒸発器２２を通る。したがって、蒸発器２２が単位時間あたりに上昇する温度上昇率は、第１昇温処理時に比べて大きくなる（図５の第２昇温プロセス参照）。この結果、改質器２４での反応が急速に進む。

ステップＳ１２において、第２昇温処理部７０は、原燃料ポンプ３３を制御して、原燃料ガスの流量を、第１原燃料流量よりも大きい第２原燃料流量に設定する（図６のＡ＿３参照）。また、第２昇温処理部７０は、酸化剤ポンプ１８を制御して、酸化剤ガスの流量を、第１酸化剤流量よりも大きい第２酸化剤流量に設定する（図６のＡ＿４参照）。

第２原燃料流量および第２酸化剤流量は、記憶部６２に記憶される。第２原燃料流量に対する第２酸化剤流量の流量比は、Ａ／Ｆが所定値となるように設定される。本実施形態では、Ａ／Ｆが１５である。原燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量が設定されると、第２昇温処理はステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３において、第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器２６による燃焼が失火したか否か判断する。すなわち、第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器温度センサ５４によって検出される排ガス燃焼器温度に基づいて温度上昇率を計測し、当該温度上昇率を所定の第２上昇率閾値と比較する。第２上昇率閾値は、本実施形態では、５分以内に６２０℃に到達する上昇率である。温度上昇率が第２上昇率閾値未満である場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器２６による燃焼が失火したと判断する。この場合、第２昇温処理はステップＳ１４に移行する。逆に、温度上昇率が第２上昇率閾値以上である場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器２６による燃焼が失火していないと判断する。この場合、第２昇温処理はステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１４において、第２昇温処理部７０は、着火リトライを実行する。すなわち、第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器２６の第１開閉弁３４－１を閉めるとともに、原燃料ガスをオフにする。これにより、排ガス燃焼器２６内の残燃料ガスと、当該排ガス燃焼器２６よりも下流の残燃料ガスとが酸化剤ガスによってパージされる。第１開閉弁３４－１が閉められてから所定時間が経過すると、第２昇温処理部７０は、第１開閉弁３４－１を再び開けるとともに、原燃料ガスをオンにする。着火リトライが実行されると、第２昇温処理はステップＳ１３に戻る。

ステップＳ１５において、第２昇温処理部７０は、改質器温度センサ５２によって検出される改質器温度を、所定の第２温度閾値と比較する。第２温度閾値は、水素成分がリッチ状態（５０％以上）の改質ガスを改質器２４が生成可能になる温度であり、記憶部６２に記憶される。第２温度閾値は、第１温度閾値よりも高い。改質器温度が第２温度閾値未満である場合（ステップＳ１５：ＮＯ）、第２昇温処理部７０は、改質器２４で改質される燃焼ガスの水素成分がリッチ状態に達していないと判断する。この場合、第２昇温処理は、ステップＳ１５に留まる。逆に、改質器温度が第２改質器温度閾値以上の場合（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、第２昇温処理部７０は、改質器２４で改質される燃焼ガスの水素成分がリッチ状態に達したと判断する。この場合、第２昇温処理は、ステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１６において、第２昇温処理部７０は、酸化剤ポンプ１８を制御して、酸化剤ガスの流量を、第１酸化剤流量および第２酸化剤流量よりも大きい第３酸化剤流量に増加させる（図６のＡ＿５参照）。すなわち、第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器２６に供給される酸化剤ガスの供給量を、起動用燃焼器２８の燃焼時における酸化剤ガスの供給量よりも多くする。本実施形態では、酸化剤ガスの供給量が、起動用燃焼器２８の着火時における酸化剤ガスの供給量の２倍以上である。これにより、排ガス燃焼器２６における燃焼によって得られる排熱量が多くなり、燃料電池スタック１６の昇温速度を促進することができる。また、改質ガスの水素成分がリッチ状態にあるため、酸化剤ガスの供給量を増加させても燃焼失火を抑制することができる。

なお、第３酸化剤流量は、第２昇温処理のために設定された酸化剤ガスの流量であり、記憶部６２に記憶される。酸化剤ガス流量が増加されると、第２昇温処理はステップＳ１７に移行する。

ステップＳ１７において、第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器２６による燃焼が失火したか否か判断する。すなわち、第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器温度センサ５４によって検出される排ガス燃焼器温度を計測し、所定の失火温度閾値と比較する。排ガス燃焼器温度が失火温度閾値まで下がった場合（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器２６による燃焼が失火したと判断する。この場合、第２昇温処理はステップＳ１４に戻る。逆に、排ガス燃焼器温度が失火温度閾値以上である場合（ステップＳ１７：ＮＯ）、第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器２６による燃焼が失火していないと判断する。この場合、第２昇温処理はステップＳ１８に移行する。

ステップＳ１８において、第２昇温処理部７０は、流量調整処理を実行する。流量調整処理は、原燃料ガスの流量に対する水の流量の比率を一定に保ちつつ、原燃料ガスの流量および水の流量を調整する処理である。この流量調整処理によって改質器２４および排ガス燃焼器２６の温度が所定の範囲で維持される。流量調整処理では、改質器２４および排ガス燃焼器２６の温度を所定の範囲に維持するためのマップが用いられる。このマップを用いた流量調整処理については後述する。原燃料ガスの流量および水の流量が調整されると、第２昇温処理はステップＳ１９に移行する。

ステップＳ１９において、第２昇温処理部７０は、ステップＳ１９で調整された原燃料ガスの流量（調整後原燃料流量）を第１原燃料流量と比較する。ここで、調整後原燃料流量が第１原燃料流量よりも大きい場合（ステップＳ１９：ＮＯ）、第２昇温処理はステップＳ１８に戻る。この場合、第２昇温処理部７０は、所定の時間間隔をあけて、原燃料ガスの流量および水の流量を調整する。本実施形態では、時間間隔は３０秒に設定される。逆に、調整後原燃料流量が第１原燃料流量以下である場合（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、第２昇温処理は終了し、第３昇温処理が開始される。

このように、改質器温度が第２温度閾値以上になると、第２昇温処理部７０は、原燃料ガスの流量が第１原燃料流量以下になるまで所定の時間間隔毎に流量調整処理を間欠的に実行して、改質器２４および排ガス燃焼器２６の温度を所定の範囲で維持する。

次に、第３昇温処理部７２による第３昇温処理を図５、図６、図９および図１０を用いて説明する。図９は、第３昇温処理の流れを示すフローチャートである。図１０は、第３昇温処理時のガスの流れを示す図である。上記の第２昇温処理が終了すると、第３昇温処理が開始され、当該第３昇温処理はステップＳ２１に移行する。

ステップＳ２１において、第３昇温処理部７２は、起動用燃焼器２８の第２グロープラグ（起動バーナ）２８Ｘをオンにする。その後、第３昇温処理はステップＳ２２に移行する。なお、排ガス燃焼器２６の第１グロープラグ（オフガスバーナ）２６Ｘはオンのままである。

ステップＳ２２において、第３昇温処理部７２は、第２開閉弁３４－２を開ける。さらに、第３昇温処理部７２は、原燃料ポンプ３３を制御して、現在の流量（調整後原燃料流量）に第１原燃料流量を加算した流量で、原燃料ガスを導入する（図６のＡ＿６参照）。その後、第３昇温処理はステップＳ２３に移行する。

第２開閉弁３４－２が開けられると、第１原燃料ガス流路３８を流れる原燃料ガスの一部は、第２原燃料ガス流路４８を介して起動用燃焼器２８に供給される（図１０参照）。したがって、排ガス燃焼器２６による燃焼に加えて、起動用燃焼器２８による燃焼が開始される。これにより、発電ユニット１２の各機器の温度上昇率は、第１昇温処理および第２昇温処理時における温度上昇率に比べて高まる（図５の第３昇温プロセス参照）。

ステップＳ２３において、第３昇温処理部７２は、起動用燃焼器２８による燃焼が失火したか否か判断する。すなわち、第３昇温処理部７２は、起動用燃焼器温度センサ５６によって検出される起動用燃焼器温度に基づいて温度上昇率を計測し、当該温度上昇率を所定の第３上昇率閾値と比較する。第３上昇率閾値は、第１上昇率閾値と同じであってもよいし、異なっていてもよい。本実施形態では、第３上昇率閾値は、５分以内に６００℃に到達する上昇率である。温度上昇率が第３上昇率閾値未満である場合（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、第３昇温処理部７２は、起動用燃焼器２８による燃焼が失火したと判断する。この場合、第３昇温処理はステップＳ２４に移行する。逆に、温度上昇率が第３上昇率閾値以上である場合（ステップＳ２３：ＮＯ）、第３昇温処理部７２は、起動用燃焼器２８による燃焼が失火していないと判断する。この場合、第３昇温処理はステップＳ２５に移行する。

ステップＳ２４において、第３昇温処理部７２は、着火リトライを実行する。すなわち、第３昇温処理部７２は、起動用燃焼器２８の第２開閉弁３４－２を閉めるとともに、原燃料ガスを調整後原燃料流量まで減じる。第２開閉弁３４－２が閉められてから所定時間が経過すると、第３昇温処理部７２は、第２開閉弁３４－２を再び開けるとともに、調整後原燃料流量に第１原燃料流量を加算した流量で、原燃料ガスを再び導入する。着火リトライが実行されると、第３昇温処理はステップＳ２３に戻る。

ステップＳ２５において、第３昇温処理部７２は、酸化剤ポンプ１８を制御して、酸化剤ガスの流量を、第１設定流量～第３酸化剤流量よりも大きい第４酸化剤流量に増加させる（図６のＡ＿７参照）。すなわち、第３昇温処理部７２は、排ガス燃焼器２６および起動用燃焼器２８に供給される酸化剤ガスの供給量を、１つの燃焼器のみによる燃焼時の酸化剤ガスの供給量よりも多くする。これにより、排ガス燃焼器２６および起動用燃焼器２８の双方の燃焼効率を高めることができる。また、改質ガスの水素成分がリッチ状態にあるため、酸化剤ガスの供給量を増加させても燃焼失火を抑制することができる。

なお、第４酸化剤流量は、第３昇温処理のために設定された酸化剤ガスの流量であり、記憶部６２に記憶される。本実施形態では、第４酸化剤流量は、予め定められた酸化剤ガスの流量調整範囲のうちの最大流量である。最大流量は、酸化剤ポンプ１８が調整可能な流量の最大値であってもよい。酸化剤ガス流量が増加されると、第３昇温処理はステップＳ２６に移行する。

ステップＳ２６において、第３昇温処理部７２は、流量調整処理を実行して、原燃料ガスの流量および水の流量を調整する。この流量調整処理によって、改質器２４、排ガス燃焼器２６および起動用燃焼器２８の温度が所定の範囲で維持される。流量調整処理については後述する。原燃料ガスの流量および水の流量が調整されると、第３昇温処理はステップＳ２７に移行する。

ステップＳ２７において、第３昇温処理部７２は、スタック温度センサ５０によって検出されるスタック温度を、発電可能温度と比較する。発電可能温度は、燃料電池スタック１６に収容される燃料電池１７が発電可能になるために燃料電池スタック１６に設定される温度である。スタック温度が発電可能温度未満である場合（ステップＳ２７：ＮＯ）、第３昇温処理部７２は、燃料電池１７が発電不能と判断する。この場合、第３昇温処理はステップＳ２６に戻る。逆に、スタック温度が発電可能温度以上である場合（ステップＳ２７：ＹＥＳ）、第３昇温処理部７２は、燃料電池１７が発電可能と判断する。この場合、第３昇温処理はステップＳ２８に移行する。

ステップＳ２８において、第３昇温処理部７２は、起動用燃焼器２８の第２開閉弁３４－２を閉めるとともに、原燃料ガスの流量を半分に減じた後（起動バーナでの燃焼分を減じた後）、第２グロープラグ（起動バーナ）２８Ｘをオフにする。その後、第３昇温処理は終了し、燃料電池スタック１６の発電動作が実行される。

以上のように、スタック温度および改質器温度が第１温度閾値（改質可能温度）未満の場合、ＥＣＵ６６は、第１昇温処理を実行する。この場合、第１昇温処理部６８は、発電ユニット１２を制御して、原燃料ガスおよび酸化剤ガスを起動用燃焼器２８に供給し、起動用燃焼器２８による燃焼を実行させる。一方、スタック温度および改質器温度が第１温度閾値（改質可能温度）以上の場合、ＥＣＵ６６は、第２昇温処理を実行する。この場合、第２昇温処理部７０は、発電ユニット１２を制御して、原燃料ガスの供給先を、起動用燃焼器２８から改質器２４に切り替え、排ガス燃焼器２６による燃焼を実行させる。

さらに、ＥＣＵ６６は、第３昇温処理を実行する。この場合、第３昇温処理部７２は、排ガス燃焼器２６による燃焼が実行された後、起動用燃焼器２８および改質器２４の双方に原燃料ガスを供給し、起動用燃焼器２８および排ガス燃焼器２６による燃焼を実行させる。これにより、第１昇温処理および第２昇温処理のみを実行する場合に比べて、燃料電池スタック１６が発電可能になるまでの時間を短縮することができる。

本実施形態では、第２昇温処理部７０は、流量調整処理を実行して、原燃料ガスの流量と水の流量とを調整する。調整後原燃料流量が第１原燃料流量以下の場合（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、第３昇温処理部７２は、改質器２４に対する原燃料ガスの供給を維持したまま起動用燃焼器２８に原燃料ガスを供給する。これにより、起動用燃焼器２８が失火しない流量となった状態で、起動用燃焼器２８による燃焼を再開させることができ、この結果、起動用燃焼器２８による燃焼を安定化させることができる。

さらに、本実施形態では、第２昇温処理部７０が供給する原燃料ガスの流量は、原燃料ガスに含まれる炭素量に対する水の量の比率が目標比率を充足するように定められる。この目標比率は、２．２～３．０の範囲のなかから選定される。これにより、排ガス燃焼器２６で燃焼させる改質ガスに含まれる水蒸気量を、コーキングが発生しない程度で少量に抑えて、第２昇温処理部７０による燃焼を実行させることができ、この結果、第３昇温処理部７２による燃焼へ早期に移行することができる。

さらに、本実施形態では、第３昇温処理部７２は、起動用燃焼器温度センサ５６によって検出される起動用燃焼器温度の温度上昇率が所定の温度上昇率閾値以上である場合、酸化剤ガスの供給量を、第１昇温処理部６８による燃焼時および第２昇温処理部７０による燃焼時に供給される酸化剤ガスの供給量よりも多くする。これにより、排ガス燃焼器２６で失火させることなく、排ガス燃焼器２６による燃焼効率を高めることができる。

さらに、本実施形態では、第３昇温処理部７２が供給する酸化剤ガスの供給量は、予め定められた酸化剤ガスの流量調整範囲のうちの最大流量である。これにより、流量調整範囲のなかで排ガス燃焼器２６による燃焼効率を最も高めることができる。

図１１は、第１制御マップを示す図であり、図１２は、第２制御マップを示す図である。第１制御マップおよび第２制御マップは、記憶部６２に記憶される。第１制御マップは、第２昇温処理部７０による流量調整処理（ステップＳ１８）と第３昇温処理部７２による流量調整処理（ステップＳ２６）で用いられる。第２制御マップは、第３昇温処理部７２による流量調整処理（ステップＳ２６）で用いられる。流量調整処理は、上記のように、原燃料ガスの流量に対する水の流量の比率を一定に保ちつつ、原燃料ガスの流量および水の流量を調整する処理である。なお、ここで言う（水の流量との比率を一定に保つ）原燃料ガスの流量は、改質器２４に供給される原燃料ガスの流量である。起動用燃焼器２８に供給される原燃料ガスは含まれない。

第１制御マップは、排ガス燃焼器２６が燃焼を安定に行い得る範囲（安定燃焼範囲）の第１上限温度および第１下限温度を有する。第１上限温度として例えば８００℃が挙げられ、第１下限温度として例えば６２０℃が挙げられる。

また、第１制御マップは、改質器２４が水蒸気改質を安定に行い得る範囲（安定水蒸気改質範囲）の第２上限温度および第２下限温度を有する。第２上限温度として例えば７００℃が挙げられ、第２下限温度として例えば６２０℃が挙げられる。

第２制御マップは、上記の第２上限温度および第２下限温度を有する。また、第２制御マップは、起動用燃焼器２８が燃焼を安定に行い得る範囲（安定燃焼範囲）の第３上限温度および第３下限温度を有する。第３上限温度として例えば８７０℃が挙げられ、第３下限温度として例えば６３０℃が挙げられる。

第２昇温処理部７０は、第１制御マップを用いて流量調整処理（ステップＳ１８）を実行して、改質器２４および排ガス燃焼器２６の温度を所定の範囲に収める。一方、第３昇温処理部７２は、第１制御マップに加えて第２制御マップを用いて流量調整処理（ステップＳ２６）を実行して、改質器２４および起動用燃焼器２８の温度を所定の範囲に収める。第２昇温処理部７０が第１制御マップを用いて実行する流量調整処理と、第３昇温処理部７２が第１制御マップおよび第２制御マップを用いて実行する流量調整処理とは本質的には同じである。ここでは、第２昇温処理部７０が第１制御マップを用いて実行する流量調整処理についてのみ説明する。

第２昇温処理部７０は、記憶部６２に記憶された第１制御マップを用いて、所定の時間間隔毎に、排ガス燃焼器温度センサ５４によって検出される排ガス燃焼器温度が安定燃焼範囲にあるか否かを判断する。時間間隔は、例えば３０秒である。

燃焼器温度が第１上限温度以下かつ第１下限温度以上である場合、第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器２６の温度が安定燃焼範囲にあると判断する。この場合、第２昇温処理部７０は、原燃料ガスおよび水の流量を変更しない。したがって、現在の流量が維持される。

一方、燃焼器温度が第１上限温度を上回る場合、または、燃焼器温度が第１下限温度を下回る場合、第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器２６の温度が安定燃焼範囲にないと判断する。この場合、第２昇温処理部７０は、原燃料ガスおよび水の流量を変更する。すなわち、第２昇温処理部７０は、目標原燃料ガス流量および目標水流量を演算し、当該目標原燃料ガス流量となるように原燃料ポンプ３３を制御するとともに、当該目標水流量となるように水ポンプ２１を制御する。

同様に、第２昇温処理部７０は、記憶部６２に記憶された第１制御マップを用いて、所定の時間間隔毎に、改質器温度センサ５２によって検出される改質器温度が安定水蒸気改質範囲にあるか否かを判断する。

改質器温度が第２上限温度以下かつ第２下限温度以上である場合、第２昇温処理部７０は、改質器２４の温度が安定水蒸気改質範囲にあると判断する。この場合、第２昇温処理部７０は、原燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量を変更しない。したがって、現在の流量が維持される。

一方、改質器温度が第２上限温度を上回る場合、または、改質器温度が第２下限温度を下回る場合、第２昇温処理部７０は、改質器２４の温度が安定水蒸気改質範囲にないと判断する。この場合、第２昇温処理部７０は、原燃料ガスおよび水の流量を変更する。すなわち、第２昇温処理部７０は、目標原燃料ガス流量および目標水流量を演算し、当該目標原燃料ガス流量となるように原燃料ポンプ３３を制御するとともに、当該目標水流量となるように水ポンプ２１を制御する。

なお、目標原燃料ガス流量および目標水流量は、次のようにして得られる。すなわち、燃焼器温度が第１上限温度を上回る場合、または、改質器温度が第２上限温度を上回る場合には、目標原燃料ガス流量は、現在の原燃料ガスの流量から記憶部６２に記憶された単位流量を減算して得られる。逆に、燃焼器温度が第１下限温度を下回る場合、または、改質器温度が第２下限温度を下回る場合には、目標原燃料ガス流量は、現在の原燃料ガスの流量から記憶部６２に記憶された単位流量を加算して得られる。目標水流量は、記憶部６２に記憶された目標Ｓ／Ｃに基づいて、目標原燃料ガス流量に対応する水流量を算出して得られる。

上記のように、原燃料ガスの流量は、改質器２４に供給される原燃料ガスの流量である。起動用燃焼器２８に供給される原燃料ガスは含まれない。したがって、第３昇温処理部７２による流量調整処理の場合、原燃料ガスの流量の１／２が改質器２４に供給されると仮定して、目標水流量が算出される。

上記実施形態は、下記のように変形されてもよい。

図１３は、変形例による燃料電池システム１０の構成を示す概略図である。本変形例では、改質器２４に原燃料ガスを供給するための原燃料ポンプ３３－１と、起動用燃焼器２８に原燃料ガスを供給するための原燃料ポンプ３３－２とが別々に設けられる。原燃料ポンプ３３－１は、第１原燃料ガス流路３８に接続される。原燃料ポンプ３３－２は、第２原燃料ガス流路４８に接続される。第２原燃料ガス流路４８は、第１原燃料ガス流路３８から分岐する実施形態とは異なり、独立して設けられる。このため、本変形例では、固定絞り部３５は、第２原燃料ガス流路４８に設けられていない。

このように、改質器２４に原燃料ガスを供給するための原燃料ポンプ３３－１と、起動用燃焼器２８に原燃料ガスを供給するための原燃料ポンプ３３－２とが別々に設けられていても、上記の実施形態と同様の効果を奏する。なお、１つの原燃料ポンプ３３を用いて原燃料ガスを改質器２４または起動用燃焼器２８に原燃料ガスを供給する上記の実施形態の場合、本変形例の場合に比べてコストを削減し得る。

以上の記載から把握し得る発明および効果について以下に記載する。

本発明の一態様は、発電ユニット（１２）と、制御ユニット（１４）とを備える燃料電池システム（１０）である。前記発電ユニットは、原燃料ガスを水蒸気改質する改質器（２４）と、水蒸気改質された改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池（１７）を有する燃料電池スタック（１６）と、前記燃料電池スタックから供給される前記改質ガスおよび前記酸化剤ガスを燃焼させる排ガス燃焼器（２６）と、前記燃料電池スタックから供給される前記酸化剤ガスと、前記原燃料ガスとを燃焼させる起動用燃焼器（２８）と、を有する。前記制御ユニットは、前記燃料電池スタックの温度であるスタック温度を検出するスタック温度センサ（５０）と、前記改質器の温度である改質器温度を検出する改質器温度センサ（５２）と、前記発電ユニットを制御して前記原燃料ガスを前記起動用燃焼器に供給し、前記起動用燃焼器による燃焼を実行させる第１昇温処理部（６８）と、前記スタック温度および前記改質器温度が第１温度閾値以上になった場合に、前記発電ユニットを制御して前記原燃料ガスの供給先を前記起動用燃焼器から前記改質器に切り替え、前記排ガス燃焼器による燃焼を実行させる第２昇温処理部（７０）と、前記排ガス燃焼器による燃焼が実行された後、前記発電ユニットを制御して前記起動用燃焼器および前記改質器の双方に前記原燃料ガスを供給し、前記起動用燃焼器および前記排ガス燃焼器による燃焼を実行させる第３昇温処理部（７２）と、を有する。

これにより、起動用燃焼器のみによる燃焼後に排ガス燃焼器のみによる燃焼を実行させる場合に比べて、燃料電池スタックが発電可能になるまでの時間を短縮することができる。

前記第２昇温処理部は、前記原燃料ガスの流量と水の流量との比率を一定に保ちつつ、所定時間間隔毎に、前記原燃料ガスの流量と前記水の流量とを調整し、前記第３昇温処理部は、前記原燃料ガスの流量が所定の流量以下である場合に、前記改質器に対する前記原燃料ガスの供給を維持したまま前記起動用燃焼器に前記原燃料ガスを供給してもよい。これにより、起動用燃焼器が失火しない流量となった状態で、起動用燃焼器による燃焼を再開させることができ、この結果、起動用燃焼器による燃焼を安定化させることができる。

前記発電ユニットは、水を蒸発させ、蒸発により得られた水蒸気を前記原燃料ガスと混合する蒸発器（２２）を有し、前記第２昇温処理部が供給する前記原燃料ガスの流量は、前記原燃料ガスに含まれる炭素量に対する前記蒸発器に供給される水の量の比率が目標比率を充足するように定められ、前記目標比率は、２．２～３．０の範囲のなかから選定されてもよい。これにより、前記燃料電池スタックに供給し排ガス燃焼器で燃焼させる改質ガスに含まれる水蒸気量を、コーキングが発生しない程度で少量に抑えて、第２昇温処理部による燃焼を実行させることができ、この結果、第３昇温処理部による燃焼へ早期に移行することができる。

前記制御ユニットは、前記起動用燃焼器に設けられる燃焼器温度センサを有し、前記第３昇温処理部は、前記燃焼器温度センサによって検出される起動用燃焼器温度の温度上昇率が所定の温度上昇率閾値以上である場合、前記酸化剤ガスの供給量を、前記第１昇温処理部による燃焼時および前記第２昇温処理部による燃焼時に供給される前記酸化剤ガスの供給量よりも多くしてもよい。これにより、排ガス燃焼器で失火させることなく、排ガス燃焼器による燃焼効率を高めることができる。

前記第３昇温処理部が供給する前記酸化剤ガスの供給量は、予め定められた前記酸化剤ガスの流量調整範囲のうちの最大流量であってもよい。これにより、流量調整範囲のなかで排ガス燃焼器による燃焼効率を最も高めることができる。

前記発電ユニットは、前記原燃料ガスを前記燃料電池スタックに導入するための原燃料ポンプ（３３）と、前記原燃料ポンプと前記改質器とを接続する第１原燃料ガス流路（３８）に設けられ、前記制御ユニットに制御される第１開閉弁（３４－１）と、前記第１原燃料ガス流路から分岐し、前記起動用燃焼器に接続される第２原燃料ガス流路（４８）に設けられ、前記制御ユニットに制御される第２開閉弁（３４－２）と、前記第２原燃料ガス流路のうち、前記第２開閉弁と前記起動用燃焼器との間に設けられる固定絞り部（３５）と、を有する。これにより、改質器に原燃料ガスを供給するための原燃料ポンプと、起動用燃焼器に原燃料ガスを供給するための原燃料ポンプとが別々に設けられる場合に比べてコストを削減し得る。また、固定絞り部があることによって、第１開閉弁と第２開閉弁とを同時に開いた場合に、改質器２４に供給される原燃料ガスの流量と、起動用燃焼器２８に供給される原燃料ガスの流量との比率を一定にすることができる。

本発明の他の一態様は、改質器により水蒸気改質された改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池スタックの昇温方法であって、原燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させる起動用燃焼器に前記原燃料ガスを供給し、前記起動用燃焼器による燃焼を実行させる第１昇温ステップと、前記燃料電池スタックの温度であるスタック温度と、前記改質器の温度である改質器温度とが第１温度閾値以上になった場合に、前記原燃料ガスの供給先を前記起動用燃焼器から前記改質器に切り替え、前記燃料電池スタックから排ガス燃焼器に供給される前記改質ガスおよび前記酸化剤ガスの燃焼を前記排ガス燃焼器に実行させる第２昇温ステップと、前記排ガス燃焼器による燃焼が実行された後、前記起動用燃焼器および前記改質器の双方に前記原燃料ガスを供給し、前記起動用燃焼器および前記排ガス燃焼器による燃焼を実行させる第３昇温ステップと、を含む。

これにより、起動用燃焼器のみによる燃焼後に排ガス燃焼器のみによる燃焼を実行させる場合に比べて、燃料電池スタックが発電可能になるまでの時間を短縮することができる。

１０…燃料電池システム １２…発電ユニット
１４…制御ユニット １６…燃料電池スタック
１７…燃料電池 １８…酸化剤ポンプ
２０…ガス缶体 ２１…水ポンプ
２２…蒸発器 ２４…改質器
２６…排ガス燃焼器 ２８…起動用燃焼器
３０…酸化剤ガス予熱器 ３２…排気触媒
３３、３３－１、３３－２…原燃料ポンプ
３４－１…第１開閉弁 ３４－２…第２開閉弁
５０…スタック温度センサ ５２…改質器温度センサ
５４…排ガス燃焼器温度センサ ５６…起動用燃焼器温度センサ
６２…記憶部 ６６…ＥＣＵ
６８…第１昇温処理部 ７０…第２昇温処理部
７２…第３昇温処理部

Claims (7)

1. 発電ユニットと、制御ユニットとを備える燃料電池システムであって、
   前記発電ユニットは、
   原燃料ガスを水蒸気改質する改質器と、
   水蒸気改質された改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックから供給される前記改質ガスおよび前記酸化剤ガスを燃焼させる排ガス燃焼器と、
   前記燃料電池スタックから供給される前記酸化剤ガスと、前記原燃料ガスとを燃焼させる起動用燃焼器と、
   を有し、
   前記制御ユニットは、
   前記燃料電池スタックの温度であるスタック温度を検出するスタック温度センサと、
   前記改質器の温度である改質器温度を検出する改質器温度センサと、
   前記発電ユニットを制御して前記原燃料ガスを前記起動用燃焼器に供給し、前記起動用燃焼器による燃焼を実行させる第１昇温処理部と、
   前記スタック温度および前記改質器温度が第１温度閾値以上になった場合に、前記発電ユニットを制御して前記原燃料ガスの供給先を前記起動用燃焼器から前記改質器に切り替え、前記排ガス燃焼器による燃焼を実行させる第２昇温処理部と、
   前記排ガス燃焼器による燃焼が実行された後、前記発電ユニットを制御して前記起動用燃焼器および前記改質器の双方に前記原燃料ガスを供給し、前記起動用燃焼器および前記排ガス燃焼器による燃焼を実行させる第３昇温処理部と、
   を有する、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、
   前記第２昇温処理部は、前記原燃料ガスの流量と水の流量との比率を一定に保ちつつ、所定時間間隔毎に、前記原燃料ガスの流量と前記水の流量とを調整し、
   前記第３昇温処理部は、前記原燃料ガスの流量が所定の流量以下である場合に、前記改質器に対する前記原燃料ガスの供給を維持したまま前記起動用燃焼器に前記原燃料ガスを供給する、燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記発電ユニットは、水を蒸発させ、蒸発により得られた水蒸気を前記原燃料ガスと混合する蒸発器を有し、
   前記第２昇温処理部が供給する前記原燃料ガスの流量は、前記原燃料ガスに含まれる炭素量に対する前記蒸発器に供給される水の量の比率が目標比率を充足するように定められ、前記目標比率は、２．２～３．０の範囲のなかから選定される、燃料電池システム。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御ユニットは、
   前記起動用燃焼器に設けられる燃焼器温度センサを有し、
   前記第３昇温処理部は、前記燃焼器温度センサによって検出される起動用燃焼器温度の温度上昇率が所定の温度上昇率閾値以上である場合、前記酸化剤ガスの供給量を、前記第１昇温処理部による燃焼時および前記第２昇温処理部による燃焼時に供給される前記酸化剤ガスの供給量よりも多くする、燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記第３昇温処理部が供給する前記酸化剤ガスの供給量は、予め定められた前記酸化剤ガスの流量調整範囲のうちの最大流量である、燃料電池システム。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記発電ユニットは、
   前記原燃料ガスを前記燃料電池スタックに導入するための原燃料ポンプと、
   前記原燃料ポンプと前記改質器とを接続する第１原燃料ガス流路に設けられ、前記制御ユニットに制御される第１開閉弁と、
   前記第１原燃料ガス流路から分岐し、前記起動用燃焼器に接続される第２原燃料ガス流路に設けられ、前記制御ユニットに制御される第２開閉弁と、
   前記第２原燃料ガス流路のうち、前記第２開閉弁と前記起動用燃焼器との間に設けられる固定絞り部と、
   を有する、燃料電池システム。
7. 改質器により水蒸気改質された改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池スタックの昇温方法であって、
   原燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼させる起動用燃焼器に前記原燃料ガスを供給し、前記起動用燃焼器による燃焼を実行させる第１昇温ステップと、
   前記燃料電池スタックの温度であるスタック温度と、前記改質器の温度である改質器温度とが第１温度閾値以上になった場合に、前記原燃料ガスの供給先を前記起動用燃焼器から前記改質器に切り替え、前記燃料電池スタックから排ガス燃焼器に供給される前記改質ガスおよび前記酸化剤ガスの燃焼を前記排ガス燃焼器に実行させる第２昇温ステップと、
   前記排ガス燃焼器による燃焼が実行された後、前記起動用燃焼器および前記改質器の双方に前記原燃料ガスを供給し、前記起動用燃焼器および前記排ガス燃焼器による燃焼を実行させる第３昇温ステップと、
   を含む、燃料電池スタックの昇温方法。

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