JP6943088B2 - 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

Description

この発明は、燃料電池の燃焼器に燃料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。

インジェクタを用いて燃料電池に燃料を供給する燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００８−１９６４０１号公報

上述のような燃料電池システムにおいて、インジェクタを用いて燃焼器に液体燃料を供給する場合、液体燃料の状態によってはインジェクタから噴霧される液体燃料の噴霧粒径が大きくなり過ぎ、燃焼器での未燃燃料が増加し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、液体燃料の消費率が低下するのを抑制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。

本発明のある態様は、燃料電池から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させる燃焼器を用いて燃料電池を加熱する燃料電池システムである。この燃料電池システムは、インジェクタと、噴霧室と、負圧形成装置と、ガス供給装置と、分岐通路と、第１排出弁と、燃焼器通路と、第２排出弁と、制御装置を含む。インジェクタは、液体燃料を噴霧する。噴霧室は、インジェクタにより液体燃料が噴霧される。負圧形成装置は、噴霧室に負圧を形成する。ガス供給装置は、酸化剤供給通路を介して、燃料電池に酸化剤ガスを圧送する。分岐通路は、酸化剤供給通路から分岐し、噴霧室と接続する。第１排出弁は、分岐通路に設けられている。燃焼器通路は、噴霧室と燃焼器に接続される。第２排出弁は、燃焼器通路に設けられている。そして、制御装置は、第１排出弁と第２排出弁を開き、ガス供給装置によって酸化剤ガスを、分岐通路、噴霧室、及び燃焼器通路を介して燃焼器に圧送することにより、噴霧室から、液体燃料の噴霧ガスと酸化剤ガスの混合ガスを燃焼器に圧送する。

この態様によれば、液体燃料の粘性が高い状態であっても、液体燃料の消費率の低下を抑制することができる。

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、液体燃料タンクに蓄えられる液体燃料の温度と粘性の関係を例示する図である。 図３は、インジェクタから噴霧される液体燃料の圧力と噴霧粒径との関係を例示する図である。 図４は、燃料電池システムの負圧噴霧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、燃料電池システムの負圧噴霧制御方法の一例を示すフローチャートである。 図７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８は、本発明の第４実施形態における燃料電池システムの停止方法の一例を説明する図である。 図９は、本発明の第５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。

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燃料電池により構成される。燃料電池１０は、固体酸化型燃料電池、又は固体高分子型燃料電池などにより実現される。本実施形態における燃料電池１０は、単一の固体酸化型燃料電池を複数積層した積層電池により構成される。

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に酸化剤ガスを供給するための通路である。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の酸化剤ガス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、アクチュエータにより構成される。本実施形態のコンプレッサ２２は、外気から空気を吸引してその空気を酸化剤ガスとして燃料電池１０に供給するガス供給装置である。なお、本実施形態ではガス供給装置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。

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、インジェクタ３３と、気化器３４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。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の燃料ガス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。液体燃料として、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には、液体燃料として例えばエタノール４５％ｖｏｌのエタノール水溶液が蓄えられる。

インジェクタ３３は、液体燃料タンク３２から供給される液体燃料を、所定の周期により気化器３４に噴霧する。なお、液体燃料タンク３２の液体燃料がインジェクタ３３に供給されるようポンプが用いてもよい。

気化器３４は、インジェクタ３３により噴霧された液体燃料を気化する。気化器３４は、インジェクタ３３から供給された水溶液を気化して水蒸気に含酸素燃料ガスが含まれる混合ガスを燃料ガスとして生成する。気化器３４は、例えば、加熱装置４０によって加熱される。

なお、気化器３４と燃料電池１０との間に改質器が設けられてもよい。この場合は、改質器において混合ガス中の含酸素燃料ガス及び水蒸気が触媒反応を起すことにより燃料ガスとして水素ガスが生成される。すなわち、液体燃料は改質用燃料として用いられる。

加熱装置４０は、燃料電池１０及び気化器３４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を加熱する。加熱装置４０は、燃焼器通路４１と、インジェクタ４２と、噴霧室４３と、負圧形成装置４４と、排出弁４５及び４６と、燃焼器４７とを備える。

燃焼器通路４１は、燃焼器４７に混合ガスを供給するための通路である。燃焼器通路４１は、インジェクタ４２と燃焼器４７との間に形成される。本実施形態の燃焼器通路４１の一端は噴霧室４３に接続され、他端は燃焼器４７に接続される。

インジェクタ４２は、インジェクタ３３と同一の構成であり、液体燃料タンク３２から供給される液体燃料を噴霧室４３に噴霧する。

噴霧室４３は、インジェクタ４２により液体燃料が噴霧される空間である。噴霧室４３は、噴霧室４３の内部圧力が大気圧よりも低い状態に対して耐久性を有するものである。すなわち、噴霧室４３は負圧を形成可能な空間である。

本実施形態における噴霧室４３は、インジェクタ４２の先端に配置される。噴霧室４３は、コンプレッサ２２よりも下流の酸化剤供給通路２１から分岐した分岐通路２１１に接続され、負圧形成装置４４に接続される。

負圧形成装置４４は、噴霧室４３に大気圧よりも低い負圧を形成する。負圧形成装置４４は、噴霧室４３に滞留するガスを吸引する吸引装置である。

排出弁４５及び４６は、噴霧室４３に噴霧された液体燃料を噴霧室４３から燃焼器４７に排出する排出装置を構成する。排出弁４５は、コンプレッサ２２よりも下流の酸化剤供給通路２１から分岐した分岐通路２１１に設けられるアクチュエータであり、排出弁４６は、燃焼器通路４１に設けられるアクチュエータである。

燃焼器４７は、燃料電池１０を加熱する加熱装置４０を構成する。燃焼器４７は、噴霧室４３から排出される液体燃料の噴霧ガスを燃焼させる。本実施形態の燃焼器４７は、排出弁４５及び４６から供給される液体燃料の噴霧ガス及び空気の混合ガスを燃焼させる。

さらに、燃焼器４７は、燃料電池１０から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させる。燃焼によって生成される高温の排ガスは、例えば、気化器３４、不図示の改質器、又は、コンプレッサ２２と燃料電池１０との間に配置される熱交換器に供給される。これにより、燃料電池１０が温められる。

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３３の各々の動作を制御する。

さらにコントローラ５０は、燃料電池１０の発電に適した所定の温度、例えば約７００℃に燃料電池１０の温度が達するよう、加熱装置４０を用いて燃料電池１０を暖機する。

例えば、コントローラ５０は、燃料電池システム１００が起動されると、酸化剤供給通路２１における不図示の熱交換器によって加熱された空気が燃料電池１０に供給されるようにコンプレッサ２２を駆動する。そしてコントローラ５０は、排出弁４５及び４６を閉じるとともに負圧形成装置４４を作動させることにより、噴霧室４３のガスを吸引して大気圧よりも低い負圧を噴霧室４３に形成する。その後、コントローラ５０は、インジェクタ４２を制御して負圧の噴霧室４３に液体燃料を噴霧し、排出弁４５及び４６を開いて、コンプレッサ２２からの空気を液体燃料の噴霧ガスが滞留する噴霧室４３に供給する。

これにより、液体燃料の噴霧ガス及び空気の混合ガスが噴霧室４３から燃焼器４７に供給され、燃焼器４７での混合ガスの燃焼により発生した熱量が燃料電池１０への供給ガスなどに与えられて燃料電池１０が温められる。

図２は、液体燃料タンク３２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４２から噴霧される液体燃料の噴霧粒径が大きくなり、液体燃料の噴霧ガスが空気と混ざりにくくなるため、燃焼器４７で液体燃料の噴霧ガスが燃焼しにくくなる。その結果、燃焼器４７で消費される液体燃料の消費率が低下してしまう。なお、ガソリン燃料の粘度は液体燃料の粘度に比べて小さく、ガソリン燃料の温度が変化しても殆ど粘度は変化しない。

図３は、インジェクタ４２による液体燃料の圧力と噴霧粒径との関係の一例を示す図である。

図３に示すように、インジェクタ４２にて与えられる液体燃料の圧力を指す燃圧が大きくなるほど、液体燃料の噴霧粒径が小さくなる。インジェクタ４２の燃圧を高くする手法としては、インジェクタ４２などの燃料系部品を高圧に耐えられる部品に交換することも考えられる。しかしながら、燃料電池システム１００の製造コストが増加するとともに、燃料電池システム１００の制約上、高圧の燃料系部品の使用が困難な場合がある。

そこで本実施形態では、負圧形成装置４４がインジェクタ４２の噴霧室４３に負圧を形成し、負圧の噴霧室４３にインジェクタ４２から液体燃料を噴霧することにより、液体燃料の燃圧を確保する。

図４は、本実施形態における燃料電池システムの負圧噴霧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、インジェクタ４２から噴霧される液体燃料の噴霧粒径が最適な大きさで維持されるように負圧噴霧制御方法が開始される。

ステップＳ１においてコントローラ５０は、負圧噴霧制御が開始されると、排出弁４５及び４６を閉じた状態で負圧形成装置４４を作動させる。これにより、負圧形成装置４４は、噴霧室４３の滞留ガスを吸引する。

ステップＳ２においてコントローラ５０は、噴霧室４３に負圧が形成されたか否かを判断する。

例えば、コントローラ５０は、負圧形成装置４４が作動を開始した後、経過時間が所定の時間に達したか否かを判断する。所定の時間は、液体燃料の噴霧粒径が目標値、すなわち燃焼器４７における混合ガスの燃焼後の未燃燃料が抑制されるような粒径の値となるような負圧形成時間に定められる。そして負圧形成装置４４の作動開始後の経過時間が所定の時間に達した場合には、噴霧室４３に負圧が形成されたと判断する。

ステップＳ３においてコントローラ５０は、噴霧室４３に負圧が形成されたと判断した場合には、負圧形成装置４４の作動を停止することにより噴霧室４３を閉塞する。

ステップＳ４においてコントローラ５０は、インジェクタ４２から負圧が形成された噴霧室４３に対して液体燃料を所定量だけ噴霧する。これにより、インジェクタ４２から噴霧される液体燃料の圧力が大きくなるので、液体燃料の噴霧粒径を小さくすることができる。

ステップＳ５においてコントローラ５０は、インジェクタ４２の噴射を停止すると、排出弁４５及び４６を特定の時間だけ開くことにより、噴霧室４３から燃焼器４７へ液体燃料の噴霧ガスを空気によって排出する。このため、液体燃料の噴霧ガスと空気との混合ガスが燃焼器４７に供給される。

ステップＳ６においてコントローラ５０は、停止指令信号を取得したか否かを判断する。停止指令信号は、液体燃料の温度が所定の閾値を上回った場合に停止指令信号が生成される。所定の閾値は、液体燃料の粘性が大きくなる温度、例えば０℃に設定される。液体燃料の温度は、例えば、液体燃料タンク３２又は噴霧室４３に設けられた温度センサの検出値から求められる。

なお、液体燃料の温度に代えて液体燃料の粘性を検出し、その検出値が特定の閾値を上回った場合に停止指令信号を生成してもよい。このように、燃料電池の粘性又は温度の検出値又はこれに相関のあるパラメータに基づいて停止信号が生成される。

そしてコントローラ５０は、停止指令信号を取得していない場合には、ステップＳ１の処理に戻り、負圧形成装置４４の作動と排出弁４５及び４６の作動とを交互に制御する。一方、コントローラ５０は、停止指令信号を取得すると、燃料電池システム１００の負圧噴霧制御方法についての一連の処理を終了する。

このように、コントローラ５０は、負圧形成装置４４を作動させた後に排出弁４５及び４６を作動させることにより、噴霧粒径が小さな液体燃料に空気を混合した混合ガスを燃焼器４７に供給する。これにより、液体燃料が０℃よりも低い状態であっても、燃焼器４７で消費される液体燃料の消費量の低下を抑制することができる。

さらにコントローラ５０は、負圧形成装置４４の作動と排出弁４５及び５６の作動とを交互に制御することにより、燃焼器４７での燃焼に適した混合ガスを断続的に燃焼器４７に供給することができる。

本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料を燃焼させる燃焼器４７を用いて燃料電池１０を加熱する。燃料電池システム１００は、液体燃料を噴霧するインジェクタ４２と、インジェクタ４２により液体燃料が噴霧される噴霧室４３と、噴霧室４３に負圧を形成する負圧形成装置４４とを備える。

そして負圧形成装置４４によって負圧を形成した噴霧室４３に液体燃料が噴霧された場合に燃料電池システム１００は、噴霧室４３の液体燃料を燃焼器４７に排出する排出装置を構成する排出弁４５及び４６を備える。

このように、負圧形成装置４４を用いてインジェクタ４２の噴霧室４３に負圧を形成することで、噴霧室４３に負圧を発生させた分、インジェクタ４２から噴霧される液体燃料の圧力（燃圧）が高くなるので、液体燃料の噴霧粒径を小さくすることができる。このため、液体燃料の噴霧ガスと空気とがよく混ざり合うようになるので、燃焼器４７において液体燃料の噴霧ガスが燃焼しやすくなり、未燃燃料を減少させることができる。すなわち、液体燃料の燃費が低下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、コンプレッサ２２、排出弁４５及び排出弁４６は、噴霧室４３に空気を酸化剤として供給するアクチュエータを構成する。

これにより、空気と液体燃料の噴霧ガスとが混合されるとともに噴霧室４３から燃焼器４７に混合ガスが供給されるので、噴霧室４３から燃焼器４７への噴霧ガスの排出と、燃焼器４７の燃焼に必要となる混合ガスの生成とを同時に行うことができる。このため、アクチュエータの動力を低減しつつ、迅速に混合ガスを燃焼器４７に供給することができる。

また、本実施形態によれば、コントローラ５０は、排出弁４５及び４６を閉じた状態で負圧形成装置４４を作動させ、その後に排出弁４５及び４６を開ける。すなわち、コントローラ５０は、負圧形成装置４４の作動と排出弁４５及び４６の作動とを交互に制御する。

これにより、インジェクタ４２から噴霧室４３に液体燃料が噴霧されるたびに、噴霧粒径の小さな液体燃料が生成されるので、燃焼しやすい混合ガスを燃焼器４７に供給することができる。

また、本実施形態によれば、コントローラ５０は、燃焼器４７を用いて燃料電池１０の温度を発電に適した所定の温度まで高くする場合、すなわち燃料電池１０を暖機する場合に、負圧形成装置４４と排出弁４５及び４６の作動とを交互に制御する。

燃料電池１０を暖機する場合は液体燃料の温度が低いことが多い。このため、液体燃料の噴霧粒径が大きくなりやすい場面で負圧形成装置４４と排出弁４５及び４６との切替え制御が行われるので、無用な切替え制御の実行を抑制することができる。

（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、加熱装置４０において、図１に示した燃料電池システム１００の負圧形成装置４４としてエゼクタ４４Ａを備えるとともに、図１に示した排出弁４５に代えて三方弁４５Ａを備えている。他の構成については、燃料電池システム１００の構成と同一であるため、ここでの説明を省略する。

エゼクタ４４Ａは、コンプレッサ２２と燃料電池１０との間の酸化剤供給通路２１に設けられる。エゼクタ４４Ａは、燃料電池１０に供給される酸化剤ガスの流速を利用して噴霧室４３の酸化剤ガスを吸引する。

本実施形態のエゼクタ４４Ａは、コンプレッサ２２から空気が供給される供給部Ａ１と、供給部Ａ１から流入する空気の流速を速める構造及びこの構造によって負圧を発生させる空間により噴霧室４３の空気が吸引される吸引部Ａ２とを有する。さらにエゼクタ４４Ａは、吸引部Ａ２から流入する空気を供給部Ａ１からの空気に合流させた空気が燃料電池１０に吐出される吐出部Ａ３を有する。

三方弁４５Ａは、コンプレッサ２２とエゼクタ４４Ａとの間の酸化剤供給通路２１から分岐した分岐通路２１１が、エゼクタ４４Ａの吸引部Ａ２と噴霧室４３との間を連通する連通通路４１１に合流する位置に設けられる。

本実施形態のコントローラ５０は、噴霧室４３に負圧が形成されるようにエゼクタ４４Ａから噴霧室４３の空気を吸引する場合には、三方弁４５Ａのうち分岐通路側の一つの弁と排出弁４６を閉じ、三方弁４５Ａのうちエゼクタ側及び噴霧室側の二つの弁を開く。

そして、コントローラ５０は、インジェクタ４２から負圧の噴霧室４３に液体燃料を噴霧した後、三方弁４５Ａのうちエゼクタ側の弁を閉じて、三方弁４５Ａのうち分岐通路側及び噴霧室側の２つの弁と排出弁４６とを開く。これにより、コンプレッサ２２から噴霧室４３に空気が供給されるので、噴霧室４３において空気が液体燃料の噴霧ガスと混合され、その混合ガスが燃焼器４７に供給される。

このように、本実施形態では酸化剤供給通路２１にエゼクタ４４Ａを配置することにより、燃料電池１０に空気を供給するコンプレッサ２２の動力を有効に利用して噴霧室４３に負圧を形成することができる。すなわち、簡素な構成で負圧形成装置４４を実現することができる。

図６は、本実施形態における燃料電池システム１０２の負圧噴霧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、噴霧室４３に噴霧室４３の内部圧力を検出するセンサが設けられており、そのセンサの検出値がコントローラ５０に入力される。

ステップＳ１１においてコントローラ５０は、負圧噴霧制御方法が開始されると、排出弁４６を閉じた状態で三方弁４５Ａを制御してエゼクタ４４Ａの吸引部Ａ２と噴霧室４３との間の連通通路４１１を開放する。これにより、噴霧室４３の空気がエゼクタ４４Ａの吸引部Ａ２に吸引される。

ステップＳ２１においてコントローラ５０は、噴霧室４３の内部圧力が所定の負圧閾値以下であるか否かを判断する。負圧閾値は、液体燃料の噴霧粒径が目標値となるように定められた噴霧室４３の内部圧力の閾値である。例えば、負圧閾値は、大気圧に対して数百ＫＰａ（キロパスカル）だけ低い値に設定される。

そしてコントローラ５０は、噴霧室４３の内部圧力が負圧閾値以下である場合には、噴霧室４３に負圧が形成されたと判断する。

ステップＳ３１においてコントローラ５０は、噴霧室４３の内部圧力が負圧閾値以下になった場合には、三方弁４５Ａを制御して、エゼクタ４４Ａと噴霧室４３との間の連通通路４１１を閉塞する。これにより、噴霧室４３は負圧の状態で閉塞される。

ステップＳ４においてコントローラ５０は、インジェクタ４２から負圧の噴霧室４３に液体燃料を所定量だけ噴霧する。これにより、インジェクタ４２から噴霧される液体燃料の圧力が大きくなるので、液体燃料の噴霧粒径を小さくすることができる。

ステップＳ５１においてコントローラ５０は、インジェクタ４２の噴射を停止すると、排出弁４６を開いて噴霧室４３と燃焼器４７との間の燃焼器通路４１を開放し、三方弁４５Ａを制御してコンプレッサ２２と噴霧室４３との間の分岐通路２１１を開放する。これにより、噴霧室４３に空気が供給されるので、噴霧室４３から燃焼器４７へ液体燃料の噴霧ガスと空気との混合ガスが供給される。

ステップＳ５２においてコントローラ５０は、噴霧室４３から燃焼器４７へ所定量の混合ガスが供給されるように所定の時間だけ待機する。ここにいう所定の時間は、噴霧室４３から液体燃料の噴霧ガスが十分に排出されるよう、噴霧室４３の体積や、コンプレッサ２２から噴霧室４３への空気の流量などを考慮して定められる。

ステップＳ５３においてコントローラ５０は、所定の時間だけ待機すると、三方弁４５Ａを制御してコンプレッサ２２と噴霧室４３との間の分岐通路２１１を閉塞し、排出弁４６を閉じて噴霧室４３と燃焼器４７との間の燃焼器通路４１を閉塞する。これにより、噴霧室４３への空気の供給が停止されるので、噴霧室４３から燃焼器４７へ空気の供給が停止される。

ステップＳ６においてコントローラ５０は、停止指令信号を取得したか否かを判断する。そしてコントローラ５０は、停止指令信号を取得していない場合には、ステップＳ１１の処理に戻り、停止指令信号を取得するまでエゼクタ４４Ａによる吸引動作とコンプレッサ２２による排出動作とを交互に繰り返す。一方、コントローラ５０は、停止指令信号を取得すると、燃料電池システム１００の負圧噴霧制御方法についての一連の処理を終了する。

本発明の第２実施形態によれば、加熱装置４０は、燃料電池１０に供給される酸化剤ガスの流速を用いて噴霧室４３のガスを吸引するエゼクタ４４Ａを図１に示した負圧形成装置４４として備えている。これにより、噴霧室４３の酸化剤ガスを吸引する吸引装置を別個に設ける必要がないので、加熱装置４０の製造コスト及びスペースの増加を抑制しつつ、噴霧室４３に負圧を形成することができる。

（第３実施形態）
図７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、加熱装置４０において、図１に示した燃料電池システム１００の負圧形成装置４４としてコンプレッサ２２及びフィルタ２３を用いるとともに、図１に示した排出弁４５に換えて三方弁４５Ｂを備えている。他の構成については、燃料電池システム１００の構成と同一であるため、ここでの説明を省略する。

本実施形態では、コンプレッサ２２の上流には負圧が生じるため、この負圧を利用して噴霧室４３の空気を吸引する。すなわち、コンプレッサ２２は、負圧形成装置４４の役割を果たす。また、コンプレッサ２２の下流には大気圧よりも高い正圧が生じるため、この正圧を利用して噴霧室４３の噴霧ガスを排出する。

フィルタ２３は、コンプレッサ２２よりも上流の酸化剤供給通路２１に設けられる。フィルタ２３は、外気から流入する空気中の異物を取り除くものである。本実施形態のフィルタ２３は、外気から酸化剤供給通路２１に流入する空気の配管抵抗を大きくする役割を果たす。これにより、フィルタ２３とコンプレッサ２２との間の酸化剤供給通路２１に負圧を形成しやすくなる。なお、コンプレッサ２２よりも上流の配管抵抗が十分に大きい場合はフィルタ２３を省略してもよい。

三方弁４５Ｂは、フィルタ２３とコンプレッサ２２との間の酸化剤供給通路２１から分岐した上流分岐通路４１２と、コンプレッサ２２と燃料電池１０との間の酸化剤供給通路２１から分岐した下流分岐通路２１２とが互いに合流する位置に設けられる。三方弁４５Ｂは、下流分岐通路２１２、上流分岐通路４１２、及び、噴霧室４３に連通する噴霧室通路４１３にそれぞれ接続される。

本実施形態のコントローラ５０は、噴霧室４３に負圧が形成されるように上流分岐通路４１２から噴霧室４３の空気を吸引する場合には、三方弁４５Ｂのうち下流分岐通路側の弁と排出弁４６を閉じ、三方弁４５Ｂのうち上流分岐通路側及び噴霧室通路側の二つの弁を開く。

そしてコントローラ５０は、インジェクタ４２から負圧の噴霧室４３に液体燃料を噴霧した後、三方弁４５Ｂのうち上流分岐通路側の弁を閉じ、三方弁４５Ｂのうち下流分岐通路側及び噴霧室通路側の２つの弁と排出弁４６とを開く。これにより、コンプレッサ２２からの空気が噴霧室４３に供給されるので、噴霧室４３において液体燃料の噴霧ガスと空気とが混合され、その混合ガスが燃焼器４７に供給される。

このように、本実施形態では、燃料電池１０に空気を供給するコンプレッサ２２の上流に生じる負圧を利用して噴霧室４３に負圧を形成し、コンプレッサ２２の下流に生じる正圧を利用して噴霧室４３の液体燃料の噴霧ガスを燃焼器４７に排出する。これにより、簡素な構成で負圧形成装置４４及び排出装置を実現することができる。

本発明の第３実施形態によれば、燃料電池システム１０２は、燃料電池１０に酸化剤ガスを供給するガス供給装置を構成するコンプレッサ２２を含む。このコンプレッサ２２は、コンプレッサ２２の上流から噴霧室４３のガスを吸引する負圧形成装置と、コンプレッサ２２の下流のガスにより噴霧室４３の液体燃料を燃焼器４７に排出する排出装置として機能する。例えば、燃料電池システム１０２は、コンプレッサ２２よりも上流に生じる負圧を用いて噴霧室４３に滞留するガスを吸引し、コンプレッサ２２よりも下流に生じる正圧を用いて噴霧室４３に噴霧された液体燃料を燃焼器４７に排出する。

このように、燃料電池システム１０２は、噴霧室４３に負圧を形成する負圧形成装置及び噴霧室４３から液体燃料の噴霧ガスを排出する排出装置としてコンプレッサ２２を兼用する。これにより、燃料電池システム１０２の製造コスト及びサイズの増加を抑制しつつ、燃焼器４７での液体燃料の燃費の低下を抑制することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態における燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システム１００と同一の構成である。本実施形態の燃料電池システム１００には、噴霧室４３の内部温度を検出するセンサが噴霧室４３に配置されている。

本実施形態のコントローラ５０は、燃料電池システム１００を停止する場合において、噴霧室４３が所定の閉塞温度を上回っているか否かを判断する。ここにいう所定の閉塞温度は、噴霧室４３に対して負圧形成可能な噴霧室４３の内部温度に設定される。例えば、閉塞温度は、実験結果やシミュレーション結果などを通じて、噴霧室４３が常温になったときに噴霧室４３の内部圧力が、液体燃料の噴霧粒径が目標値となる圧力まで低下するような噴霧室４３の温度に設定される。

そして噴霧室４３が所定の閉塞温度を上回っている場合には、コントローラ５０は、排出弁４５及び４６を閉じて噴霧室４３を閉塞する。これにより、燃料電池システム１００の停止後に噴霧室４３の温度が低下するにつれて噴霧室４３の内部圧力が低下するので、噴霧室４３に負圧を形成することができる。

このため、燃料電池システム１００が起動された場合に、インジェクタ４２から負圧の噴霧室４３に液体燃料が噴霧されるので、インジェクタ４２から噴霧された液体燃料の噴霧粒径を、燃焼器４７において噴霧ガスが十分に燃焼するような噴霧粒径に維持することができる。

一方、噴霧室４３が所定の閉塞温度以下である場合には、コントローラ５０は、噴霧室４３の閉塞を抑制する。そしてコントローラ５０は、燃料電池システム１００が起動された場合には、負圧形成装置４４を制御して噴霧室４３のガスを吸引する。

なお、固体酸化型燃料電池の場合は、噴霧室４３の温度が高温になる。このため、燃料電池システム１００を停止する場合に、コントローラ５０は、噴霧室４３の温度を求めることなく噴霧室４３を閉塞するようにしてもよい。これにより、燃料電池システム１００のセンサ及びコントローラ５０の演算処理などを削減することができる。

図８は、本実施形態における燃料電池システム１００の停止手法を説明する図である。

図８には、実線により噴霧室４３の内部圧力が示され、破線により噴霧室４３の内部温度が示されており、縦軸が噴霧室４３の内部圧力及び内部温度を重ねて示し、横軸が時間を示す。

時刻ｔ１において、例えばドライバにより車両のＥＶキーがＯＦＦに操作されると、コントローラ５０は、燃料電池システム１００の停止信号を検出し、噴霧室４３の内部温度が所定の温度閾値Ｔｈを上回っているか否かを判断する。

図８に示すように、噴霧室４３の内部温度が所定の温度閾値Ｔｈを上回っているため、コントローラ５０は、排出弁４５及び４６の各々を閉じる。これにより、時間が経過するにつれて内部温度が外気温に収束するように低下し、これに伴って噴霧室４３の内部圧力が低下する。

このため、噴霧室４３の内部温度が外気温まで低下したときには、噴霧室４３には負圧が形成されるので、燃焼器４７での燃焼に必要となる噴霧粒径を噴霧室４３において確保することができる。

本発明の第４実施形態によれば、負圧形成装置４４としてコントローラ５０は、燃料電池システム１００を停止する場合に、噴霧室４３を閉塞する閉塞弁に相当する排出弁４５及び４６を閉じる。

これにより、燃料電池システム１００が起動されると、噴霧室４３が負圧になっているので、1回目のインジェクタ４２の噴射の際には、インジェクタ４２から噴霧室４３に噴霧される液体燃料の噴霧粒径を小さくすることができる。

また、本実施形態によれば、排出弁４５及び４６は、燃料電池システム１００を停止する場合において噴霧室４３が所定の閉塞温度を示す温度閾値Ｔｈを超えるときには、噴霧室４３を閉塞する。

これにより、１回目のインジェクタ４２の噴射の際に、噴霧室４３の内部圧力が十分に下っておらず、かえって液体燃料の噴霧粒径が大きくなってしまうという事態を回避することができる。すなわち、確実に１回目のインジェクタ４２からの噴霧粒径を小さくすることができる。

（第５実施形態）
図９は、本発明の第４実施形態における燃料電池システム１０３の構成の一例を示す構成図である。

燃料電池システム１０３は、図４に示した燃料電池システム１０１を構成する気化器３４の空間の一部を噴霧室４３として利用する。燃料電池システム１０３は、燃料電池システム１０１のインジェクタ４２及び噴霧室４３を省略し、これらの機能をインジェクタ３３、気化器３４Ａ、及び開閉弁３５に持たせる。

気化器３４Ａは、気化器３４Ａの一部に負圧形成可能な噴霧室４３を形成する。本実施形態の気化器３４Ａは、負圧形成可能な噴霧室Ｒ１を形成する開閉板３４１を有する。開閉板３４１は、噴霧室Ｒ１と液体燃料を気化する気化室Ｒ２とを隔てる板である。

気化器３４Ａの噴霧室Ｒ１は、インジェクタ３３の先端に配置される。噴霧室Ｒ１は、エゼクタ４４Ａの吸引部Ａ２、コンプレッサ２２及び燃焼器４７に連通する。本実施形態の噴霧室Ｒ１は、エゼクタ４４Ａの吸引部Ａ２に連通する連通通路４１１と、コンプレッサ２２の吐出口に連通する分岐通路２１１と、燃焼器４７の供給口に連通する燃焼器通路４１とに接続される。

例えば、開閉板３４１は、同じ位置に同形状の孔が形成された二枚の板を重ねることにより構成される。そしてコントローラ５０は、液体燃料の噴霧ガスを気化する場合に、二枚の板に形成された孔が一致するように一方の板を移動させる。これにより、噴霧室Ｒ１と気化室Ｒ２とが連通するので、液体燃料の噴霧ガスが気化室Ｒ２に流入する。

一方、液体燃料の噴霧ガスを燃焼器４７に供給する場合には、コントローラ５０は二枚の板の孔が全て塞がれるように一方の板を移動させる。これにより、噴霧室Ｒ１と気化室Ｒ２とが遮蔽されるので、噴霧室Ｒ１に噴霧ガスが滞留する。

開閉弁３５は、気化器３４Ａから燃料電池１０に燃料ガスを排出する。そして燃焼器４７に混合ガスを供給する場合には、開閉弁３５は、気化器３４Ａから燃料電池１０への燃料ガスの排出を停止する。

インジェクタ３３は、燃料電池１０に燃料ガスを供給する場合には、気化器３４の気化室Ｒ２に液体燃料を噴霧する。また、インジェクタ３３は、燃焼器４７に混合ガスを供給する場合には、気化器３４Ａの噴霧室Ｒ１に液体燃料を噴霧する。

本実施形態のコントローラ５０は、燃料電池１０を暖機するために燃焼器４７に混合ガスを供給する場合には、気化器３４Ａの開閉板３４１を遮蔽するとともに開閉弁３５を閉じる。そしてコントローラ５０は、排出弁４６を閉じるとともに三方弁４５Ａを制御して、エゼクタ４４Ａの吸引部Ａ２から噴霧室Ｒ１の空気を吸引し、インジェクタ３３から負圧の噴霧室Ｒ１に液体燃料を噴霧する。続いてコントローラ５０は、排出弁４６を開けるとともに三方弁４５Ａを制御して、噴霧室Ｒ１の液体燃料の噴霧ガスを空気とともに燃焼器４７に排出する。

燃料電池１０の暖機が完了した後、コントローラ５０は、気化器３４Ａの開閉板３４１を開くとともに開閉弁３５を開く。そしてコントローラ５０は、三方弁４５Ａ及び排出弁４６を全て閉じて、噴霧室Ｒ１の液体燃料の噴霧ガスを気化室Ｒ２に排出する。

このように、気化器３４Ａの一部に噴霧室Ｒ１を形成することにより、燃焼器４７での液体燃料の燃費が低下するのを抑制するとともに、上述の実施形態に比べて燃料電池システム１０３の配置スペース及び製造コストを削減することができる。

本発明の第５実施形態によれば、燃料電池システム１０３は、燃料電池１０に燃料ガスが供給されるよう液体燃料を気化する気化器３４Ａをさらに含み、インジェクタ３３は、負圧形成可能な噴霧室として気化器３４Ａに液体燃料を噴霧する。

これにより、インジェクタ３３を、燃焼器４７に液体燃料の噴霧ガスを供給するインジェクタとして兼用することができる。したがって、インジェクタ４２及び噴霧室４３の配置スペースを削減することができる。

また、本実施形態によれば、気化器３４Ａは、噴霧室として負圧形成可能な空間である噴霧室Ｒ１を形成する開閉板３４１を有する。そして気化器３４Ａの噴霧室Ｒ１は、インジェクタ３３の先端に配置され、負圧形成装置を構成するエゼクタ４４Ａ、排出装置を構成するコンプレッサ２２、及び燃焼器４７の各々に連通する。これにより、気化器３４Ａを噴霧室Ｒ１として利用しつつ、気化器３４Ａの気化室Ｒ２への空気の混入を低減することができる。

なお、本実施形態では図５に示した燃料電池システム１０１の気化器３４の一部に噴霧室Ｒ１を形成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、図１に示した燃料電池システム１００の気化器３４、又は、図７に示した燃料電池システム１０２の気化器３４の一部に噴霧室Ｒ１を形成するようにしてもよい。このような場合であっても本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

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。

１００〜１０４ 燃料電池システム
２２ コンプレッサ（負圧形成装置、排出装置、ガス供給装置、アクチュエータ）
３４ 気化器
４２ インジェクタ
４３、Ｒ１ 噴霧室
４４ 負圧形成装置
４４Ａ エゼクタ（負圧形成装置）
４５、４６ 排出弁（排出装置、アクチュエータ）
４５Ａ、４５Ｂ 三方弁（排出装置）
４７ 燃焼器（作動装置）
４３１ 開閉板（板）

Claims (10)

1. 燃料電池から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させる燃焼器を用いて前記燃料電池を加熱する燃料電池システムであって、
   液体燃料を噴霧するインジェクタと、
   前記インジェクタにより前記液体燃料が噴霧される噴霧室と、
   前記噴霧室に負圧を形成する負圧形成装置と、
   酸化剤供給通路を介して、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを圧送するガス供給装置と、
   前記酸化剤供給通路から分岐し、前記噴霧室と接続する分岐通路と、
   前記分岐通路に設けられた第１排出弁と、
   前記噴霧室と前記燃焼器に接続される燃焼器通路と、
   前記燃焼器通路に設けられた第２排出弁と、
   前記第１排出弁と前記第２排出弁を開き、前記ガス供給装置によって前記酸化剤ガスを、前記分岐通路、前記噴霧室、及び前記燃焼器通路を介して前記燃焼器に圧送することにより、前記噴霧室から、前記液体燃料の噴霧ガスと前記酸化剤ガスの混合ガスを前記燃焼器に圧送する制御装置と、
   を含む燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記負圧形成装置による負圧の形成と前記混合ガスの圧送とを交互に制御する、
   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、
   前記制御装置は、前記燃料電池を暖機する場合に、前記負圧形成装置による負圧の形成と前記混合ガスの圧送とを交互に制御する、
   燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３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、
   前記負圧形成装置は、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流速を用いて前記噴霧室のガスを吸引するエゼクタを含む、
   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、
   前記制御装置は、前記燃料電池システムを停止する場合に、前記第１排出弁を閉じることにより、前記噴霧室を閉塞する、
   燃料電池システム。
6. 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、
   前記燃料電池に燃料ガスが供給されるように、前記液体燃料を気化する気化器をさらに含み、
   前記インジェクタは、前記噴霧室として前記気化器に前記液体燃料を噴霧する、
   燃料電池システム。
7. 燃料を燃焼させる燃焼器を用いて燃料電池を加熱する燃料電池システムであって、
   液体燃料を噴霧するインジェクタと、
   前記インジェクタにより前記液体燃料が噴霧される噴霧室と、
   前記噴霧室に負圧を形成する負圧形成装置と、
   前記噴霧室の前記液体燃料を前記燃焼器に排出する排出装置と、
   前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するガス供給装置と、を含み、
   前記負圧形成装置は、前記ガス供給装置の上流から前記噴霧室のガスを吸引し、
   前記排出装置は、前記ガス供給装置の下流の酸化剤ガスにより前記噴霧室の前記液体燃料を前記燃焼器に排出する、
   燃料電池システム。
8. 燃料を燃焼させる燃焼器を用いて燃料電池を加熱する燃料電池システムであって、
   液体燃料を噴霧するインジェクタと、
   前記インジェクタにより前記液体燃料が噴霧される噴霧室と、
   前記噴霧室に負圧を形成する負圧形成装置と、
   前記噴霧室の前記液体燃料を前記燃焼器に排出する排出装置と、
   を含み、
   前記負圧形成装置は、前記燃料電池システムを停止する場合には、前記噴霧室を閉塞する閉塞弁を含み、
   前記閉塞弁は、前記燃料電池システムを停止する場合において前記噴霧室が所定の温度を超えるときには、前記噴霧室を閉塞する、
   燃料電池システム。
9. 燃料を燃焼させる燃焼器を用いて燃料電池を加熱する燃料電池システムであって、
   液体燃料を噴霧するインジェクタと、
   前記インジェクタにより前記液体燃料が噴霧される噴霧室と、
   前記噴霧室に負圧を形成する負圧形成装置と、
   前記噴霧室の前記液体燃料を前記燃焼器に排出する排出装置と、
   前記燃料電池に燃料ガスが供給されるよう前記液体燃料を気化する気化器と、
   を含み、
   前記インジェクタは、前記噴霧室として前記気化器に前記液体燃料を噴霧し、
   前記気化器は、前記噴霧室として負圧形成可能な空間を形成する板を有し、
   前記噴霧室は、前記インジェクタの先端に配置され、前記負圧形成装置、前記排出装置、及び前記燃焼器に連通する、
   燃料電池システム。
10. 燃料電池から排出される燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させる燃焼器と、液体燃料を噴霧するインジェクタと、前記インジェクタにより前記液体燃料が噴霧される噴霧室と、前記噴霧室に負圧を形成する負圧形成装置と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤供給通路を有するガス供給装置と、前記酸化剤供給通路をから分岐し、前記噴霧室と接続する分岐通路と、前記分岐通路に設けられた第１排出弁と、前記噴霧室と前記燃焼器に接続される燃焼器通路と、前記燃焼器通路に設けられた第２排出弁と、を備え、前記燃焼器を用いて前記燃料電池を加熱する燃料電池システムの制御方法であって、
    前記噴霧室に負圧を形成する負圧形成ステップと、
    前記噴霧室に前記液体燃料を噴霧する噴霧ステップと、
    前記第１排出弁と前記第２排出弁を開き、前記ガス供給装置によって前記酸化剤ガスを前記分岐通路、前記噴霧室、及び前記燃焼器通路を介して前記燃焼器に圧送することにより、前記噴霧室から、前記液体燃料の噴霧ガスと前記酸化剤ガスの混合ガスを前記燃焼器に圧送するガス供給ステップと、
    を含む燃料電池システムの制御方法。

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