JP7353158B2 - fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
特許文献１では、燃料を改質した改質ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムでは、燃料電池からの排ガスを利用した燃焼排ガスを生成する燃焼器が設けられており、この燃焼器の下流には、燃焼排ガスによって燃料を温めるための熱交換器と、この熱交換器を通過した燃焼排ガスが供給される改質器とが配置されている。改質器において改質された燃料は、燃料電池に供給されて発電に用いられる（特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１の燃料電池システムでは、燃焼器の下流における熱交換器によって排出ガスの熱が奪われるため、その下流に配置された改質器に供給される排出ガスの温度が低下する。これにより、改質器の速やかな暖機が阻害され、燃料電池システムの始動に時間を要するという問題があった。
However, in the fuel cell system of
本発明は、始動の遅れが抑制される燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system in which startup delay is suppressed.
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、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蒸発器と、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ことにより、燃料の改質処理を行う改質処理装置と、燃焼器からの燃焼ガスと酸化剤ガスとの熱交換を行う空気熱交換器と、燃焼器用蒸発器からの燃料を燃焼器の上流に供給する第一燃料通路と、燃焼器用蒸発器からの燃料を空気熱交換器の上流に供給する第二燃料通路と、燃焼器用蒸発器からの燃焼ガスを少なくとも空気熱交換器を介して排気系に排出する排気燃焼ガス通路と、改質処理装置、空気熱交換器、及び燃焼器用蒸発器のうち少なくとも何れかの高温側通路に触媒を塗布することで構成される補助燃焼部と、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蒸発器への燃料供給を制御する制御装置と、を備えた、燃料電池システムが提供される。 According to an aspect of the present invention, a fuel cell generates electricity by supplying reformed fuel obtained by reforming fuel from a fuel supply source and oxidizing gas from an oxidizing gas supply source to a solid oxide fuel cell. The system includes a combustor that generates combustion gas to warm up a fuel cell, an evaporator for the combustor that exchanges heat between the combustion gas from the combustor and fuel from a fuel supply source, and a combustion system that generates combustion gas from the combustor. A reformer that performs a reforming process on fuel by exchanging heat between gas and fuel from a fuel supply source, and an air heat exchanger that exchanges heat between combustion gas from a combustor and oxidizer gas. a first fuel passage that supplies fuel from the combustor evaporator to the upstream side of the combustor; a second fuel passage that supplies fuel from the combustor evaporator to the upstream side of the air heat exchanger; and a combustor evaporator. A catalyst is installed in an exhaust combustion gas passage that discharges combustion gas from the air to the exhaust system through at least an air heat exchanger, and in a high-temperature side passage of at least one of the reformer, the air heat exchanger, and the combustor evaporator. an auxiliary combustion section configured by applying a combustor, and a control device that controls fuel supply from at least the fuel supply source to the combustor evaporator according to the state of the combustor at the time of starting the fuel cell system. A fuel cell system is provided.
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。 According to the present invention, delay in starting the fuel cell system is suppressed.
（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。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
図１は、本実施形態による燃料電池システム１の構成の概要を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an outline of the configuration of a
図１に示す燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０に対して発電に必要となるアノードガス及びカソードガスを供給し、燃料電池スタック１０を電気負荷（車両走行用の電動モータ等）に応じて発電させるシステムである。
A
燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０にアノードガスを供給するアノードガス供給系統２０と、燃料電池スタック１０にカソードガスを供給するカソードガス供給系統４０と、燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガス及びカソードオフガスを排気する排気系統６０と、燃料電池システム１のシステム全体の動作を統括的に制御するコントローラ７０とを備える。
The
まず、アノードガス供給系統２０について説明する。
First, the anode
アノードガス供給系統２０は、主燃料供給通路２１と、副燃料供給通路６５と、燃料タンク２３と、改質処理装置２４と、第１インジェクタ２８と、を備える。
The anode
主燃料供給通路２１は、主として、燃料タンク２３に貯留されている燃料を燃料電池スタック１０へ供給する通路として機能する。
The main
改質処理装置２４は、主燃料供給通路２１を介して燃料供給源である燃料タンク２３に接続されている。燃料タンク２３には、例えばエタノールなどの燃料が貯留されている。主燃料供給通路２１には、燃料タンク２３から改質処理装置２４へ供給する燃料の量を調節する第１インジェクタ２８が設けられている。
The
改質処理装置２４は、燃料タンク２３から供給される液体燃料を、燃料電池スタック１０における発電に用いるために適切な状態とするために改質処理する装置である。改質処理装置２４は、改質器用蒸発器３０及び改質器３１により構成される。
The reforming
改質器用蒸発器３０は、燃料タンク２３から主燃料供給通路２１を介して供給される液体燃料を、後述のアノード側排気燃焼ガス通路６６ａ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。
The
より詳細には、改質器用蒸発器３０は、燃料入口３０ａから燃料出口３０ｂに向かって流れる燃料と、燃焼ガス入口３０ｃから燃焼ガス出口３０ｄ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。
More specifically, the
改質器３１は、燃料入口３１ａから燃料出口３１ｂに向かって流れる気体燃料と、燃焼ガス入口３１ｃから燃焼ガス出口３１ｄ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。このように、本実施形態の改質器３１は、燃焼ガスの保有熱によって、気体燃料を改質反応に適した温度に加熱する。
The
続いて、カソードガス供給系統４０について説明する。
Next, the cathode
カソードガス供給系統４０は、カソードガス供給通路４１と、エアブロア４２と、空気熱交換器４３と、を備える。
The cathode
カソードガス供給通路４１は、主として、エアブロア４２からの空気を燃料電池スタック１０へ供給する通路として機能する。燃料電池スタック１０のカソード極入口１０ｂは、カソードガス供給通路４１を介して酸化剤ガス供給源としてのエアブロア４２と接続されている。エアブロア４２は、コントローラ７０による制御に基づいて、燃料電池システム１の運転状態に応じた流量の空気をカソード極入口１０ｂを介して燃料電池スタック１０内に供給する。
The cathode
空気熱交換器４３は、エアブロア４２からの空気を、後述のカソード側排気燃焼ガス通路６６ｂ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機能を有する。より詳細には、空気熱交換器４３は、空気入口４３ａから空気出口４３ｂに向かって流れる空気と、燃焼ガス入口４３ｃから燃焼ガス出口４３ｄ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。
The
燃料電池スタック１０は、改質器３１からのアノードガス（改質燃料）とエアブロア４２からのカソードガス（空気）の供給を受けて発電する。なお、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの流量は第１インジェクタ２８により開度を操作することにより調節される。また、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスの流量はエアブロア４２の出力を操作することにより調節される。
The
続いて、排気系統６０について説明する。
Next, the
排気系統６０は、オフガス通路６２と、第１燃焼器６３と、燃焼器用蒸発器６４と、排気燃焼ガス通路６６と、第２インジェクタ６７と、温度センサＴ１～Ｔ５と、排気系６８と、第２燃焼器６９と、を備える。
The
第１燃焼器６３は、オフガス通路６２を介して燃料電池スタック１０に接続されている。
The
第１燃焼器６３は、燃料電池スタック１０から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスを燃焼させる装置であって、オフガス通路６２に配置される。第１燃焼器６３には、燃焼器用蒸発器６４において気化された燃料が第１燃料供給通路６５ａを介して供給される。
The
より詳細には、第１燃焼器６３は、上記アノードオフガスなどを触媒燃焼させるための、白金（Ｐｔ）及びパラジウム（Ｐｄ）などの触媒材料を担持させた触媒部を備える。また、第１燃焼器６３には、当該触媒部を加熱するための図示しない電気式のヒータが設けられてもよい。
More specifically, the
第１燃焼器６３の燃焼ガスが排出される排気燃焼ガス通路６６には、燃焼器用蒸発器６４が接続される。排気燃焼ガス通路６６は、分岐部Ｊ２において、アノード側排気燃焼ガス通路６６ａとカソード側排気燃焼ガス通路６６ｂとに分岐する。
A
アノード側排気燃焼ガス通路６６ａは、燃焼器用蒸発器６４の燃焼ガス出口６４ｄと改質器３１の燃焼ガス入口３１ｃとを接続する。そして、アノード側排気燃焼ガス通路６６ａは、改質器３１の燃焼ガス出口３１ｄと改質器用蒸発器３０の燃焼ガス入口３０ｃとを接続し、改質器用蒸発器３０の燃焼ガス出口３０ｄから延びて合流部Ｊ５においてカソード側排気燃焼ガス通路６６ｂと合流する。
The anode side exhaust
カソード側排気燃焼ガス通路６６ｂは、燃焼器用蒸発器６４の燃焼ガス出口６４ｄと空気熱交換器４３の燃焼ガス入口４３ｃとを接続する。そして、カソード側排気燃焼ガス通路６６ｂは、空気熱交換器４３の燃焼ガス出口４３ｄから延びて合流部Ｊ５においてアノード側排気燃焼ガス通路６６ａと合流する。
The cathode side exhaust
アノード側排気燃焼ガス通路６６ａとカソード側排気燃焼ガス通路６６ｂとは合流部Ｊ５において合流し、排気燃焼ガス通路６６としてマフラなどの排気系６８に接続される。
The anode-side exhaust
燃焼器用蒸発器６４は、排気燃焼ガス通路６６を介して第１燃焼器６３に接続されている。また、燃焼器用蒸発器６４は、副燃料供給通路６５によって燃料タンク２３に接続されている。特に、副燃料供給通路６５には、燃料タンク２３から燃焼器用蒸発器６４へ供給する燃料の量を調節する第２インジェクタ６７が設けられている。
The
オフガス通路６２は、燃料電池スタック１０のアノード極出口１０ｃに接続されるアノードオフガス通路６２ａ、及び燃料電池スタック１０のカソード極出口１０ｄに接続されるカソードオフガス通路６２ｂを有する。アノードオフガス通路６２ａには、燃料電池スタック１０のアノード極内からのアノードオフガスが排出される。一方、カソードオフガス通路６２ｂには、燃料電池スタック１０のカソード極内からのカソードオフガスが排出される。
The off-
そして、これらアノードオフガス通路６２ａ及びカソードオフガス通路６２ｂは、それぞれアノード極出口１０ｃ及びカソード極出口１０ｄの直後において合流し、一つのオフガス通路６２を構成する。
The anode off-
燃焼器用蒸発器６４は、燃料タンク２３から副燃料供給通路６５を介して供給される液体燃料を、排気燃焼ガス通路６６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。
The
より詳細には、燃焼器用蒸発器６４は、燃料入口６４ａから燃料出口６４ｂに向かって流れる燃料と、燃焼ガス入口６４ｃから燃焼ガス出口６４ｄ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。
More specifically, the
副燃料供給通路６５は、この燃焼器用蒸発器６４の燃料出口６４ｂから、第１燃焼器６３の上流側に接続される第１燃料供給通路６５ａと、第２燃料供給通路６５ｂと、に分岐する。第２燃料供給通路６５ｂは、合流部Ｊ３において、カソード側排気燃焼ガス通路６６ｂに合流する。また、第２燃料供給通路６５ｂに連通する空気熱交換器４３の高温側通路には以下で詳述する第２燃焼器６９が設けられる。
The auxiliary
温度センサＴ１～Ｔ５は、排気系統６０の各要素の温度を検出するために設けられている。具体的には、温度センサＴ１は、オフガス通路６２における合流部Ｊ１の下流であって第１燃焼器６３の上流に設けられる。すなわち、温度センサＴ１は、第１燃焼器６３の入口の温度を検出するセンサとして機能する。温度センサＴ２は、排気燃焼ガス通路６６における第１燃焼器６３の下流且つ燃焼器用蒸発器６４の上流に設けられる。すなわち、温度センサＴ３は、第１燃焼器６３の出口の温度を検出するセンサとして機能する。
Temperature sensors T1 to T5 are provided to detect the temperature of each element of the
温度センサＴ３は、カソード側排気燃焼ガス通路６６ｂにおける第２燃料供給通路６５ｂとの合流部Ｊ３の下流に設けられる。すなわち、温度センサＴ３は、第２燃焼器６９の入口の温度を検出するセンサとして機能する。温度センサＴ４は、排気燃焼ガス通路６６における分岐部Ｊ２と合流部Ｊ３の間に設けられる。すなわち、温度センサＴ４は、燃焼器用蒸発器６４の排気燃焼ガス通路６６における出口の温度を検出するセンサとして機能する。
The temperature sensor T3 is provided downstream of the junction J3 with the second
さらに、温度センサＴ５は、カソード側排気燃焼ガス通路６６ｂにおける空気熱交換器４３の下流且つ合流部Ｊ５の上流に設けられている。すなわち、温度センサＴ５は、空気熱交換器４３の燃焼ガス出口４３ｄの温度を検出するセンサとして機能する。
Further, the temperature sensor T5 is provided downstream of the
ここで、上記のような本実施形態の燃料電池システム１における第２燃焼器６９の構成についてより詳細に説明する。
Here, the configuration of the
上記したように、本実施形態の第２燃焼器６９は、第２燃料供給通路６５ｂに連通する空気熱交換器４３の内部の通路の少なくとも一部に構成される。より詳細には、本実施形態の第２燃焼器６９は、空気熱交換器４３の高温側通路の少なくとも一部を燃焼反応ための経路として利用することで構成されるものである。
As described above, the
ここで、本実施形態の第２燃焼器６９は、空気熱交換器４３の高温側通路を構成する配管の内面に燃焼触媒が塗布されて構成されている。より詳細には、本実施形態の第２燃焼器６９では、燃焼触媒が第２燃料供給通路６５ｂに連通する空気熱交換器４３の内部のチューブやプレートの表面に塗布される。このような構成により、燃焼器用蒸発器６４において気化された気化燃料がこの燃焼触媒が塗布された領域において空気と反応して燃焼する。特に、燃焼反応をより活性化するために、第２燃焼器６９は、空気熱交換器４３の高温側（カソード側排気燃焼ガス通路６６ｂにおける上流）に構成されている。
Here, the
そして、燃焼器用蒸発器６４において加熱された気化燃料は、合流部Ｊ３において排気燃焼ガス通路６６からの排出ガスと合流して混合ガスとなり、空気熱交換器４３の燃焼ガス入口４３ｃから空気熱交換器４３に供給される。空気熱交換器４３は、供給された混合ガスの保有熱により、エアブロア４２からの空気を加熱する。そして、空気熱交換器４３において昇温された空気は燃料電池スタック１０のカソード極入口１０ｂから供給されて、燃料電池スタック１０における発電に用いられる。したがって、第２燃焼器６９が設けられることによって、空気熱交換器４３に供給される空気を加熱するガスには、第２燃焼器６９における燃焼による生成熱相当の熱量が加えられることとなる。このため、第２燃焼器６９が設けられない場合と比較してより確実に所望の温度に加熱された空気を燃料電池スタック１０に供給することができる。
Then, the vaporized fuel heated in the
特に、本実施形態では、主として、空気熱交換器４３の高温側のチューブやプレートに燃焼触媒を塗布することで第２燃焼器６９を構成している。すなわち、第１燃焼器６３における燃焼通路のようにハニカム構造などの燃焼を促進させるための専用の通路構造を用いることなく、既存のカソード側排気燃焼ガス通路６６ｂに対する簡易な改良により、上記した燃料電池スタック１０に供給する空気に対するより確実な加熱を実現することができる。なお、この第２燃焼器６９は、空気熱交換器４３に連通する高温側通路であるカソード側排気燃焼ガス通路６６ｂ及び第２燃料供給通路６５ｂの少なくとも一部に亘って設けられてもよい。
In particular, in this embodiment, the
一方、第２燃焼器６９は、通路に燃焼触媒を塗布した構造であるため、例えば第１燃焼器６３のようにガスと燃焼触媒の接触面積を大きくするためのハニカム構造などの通路構造により構成される燃焼器と比較して、燃焼反応に供する面積が小さい。このため、第２燃焼器６９による燃焼が適切に実行される観点から受け入れ可能な燃料量は、第１燃焼器６３のそれに比べて少なくなる。したがって、第２燃焼器６９に供給する燃料の量を、第１燃焼器６３に供給する燃料の量よりも少なくすることが望ましい。この観点から、本実施形態の燃料電池システム１では、第２燃料供給通路６５ｂに供給される燃料の供給量は、第１燃料供給通路６５ａに供給される燃料の供給量よりも少なくなるように制御される構成となっている。
On the other hand, since the
特に、本実施形態では、第１燃料供給通路６５ａへの燃料供給量及び第２燃料供給通路６５ｂへの燃料供給量を第２燃料供給通路６５ｂに設けられる開閉弁Ｖ１の開度操作により調節する。より詳細には、コントローラ７０は、開閉弁Ｖ１の開度を調節することによって、第１燃料供給通路６５ａの燃料の流量を第２燃料供給通路６５ｂの流量よりも大きくなるように調節する。
In particular, in this embodiment, the amount of fuel supplied to the first
そして、このように、第２燃焼器６９を構成する空気熱交換器４３の高温側通路への燃料供給量を第１燃料供給通路６５ａへの燃料供給量に比べて少なくしても、当該第２燃焼器６９における燃焼によって、燃焼器用蒸発器６４を経て温度が低下した後に空気熱交換器４３に供給されるガスの温度（すなわち、カソード側排気燃焼ガス通路６６ｂにおけるガス温度）を回復させるために要求される程度の生成熱を好適に確保することができる。
In this way, even if the amount of fuel supplied to the high temperature side passage of the
なお、第２燃料供給通路６５ｂに供給される燃料は、燃焼効率を向上させる観点から、気化燃料であることが望ましい。この観点から、例えば、燃焼器用蒸発器６４の温度に応じて熱交換により燃料に与えられる熱量に応じて、当該熱量により好適に気化される量の燃料が第２燃料供給通路６５ｂに供給されるように、第２インジェクタ６７の開度を調節する制御を採用しても良い。
Note that the fuel supplied to the second
コントローラ７０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。
The
本実施形態のコントローラ７０は、燃料電池システム１の運転状態（特に各温度センサから取得した検出値）に応じて、改質器３１への燃料供給、第１燃焼器６３への燃料供給、第２燃焼器６９への燃料供給、燃焼器用蒸発器６４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。
The
より詳細には、本実施形態のコントローラ７０は、燃料電池システム１の運転状態に応じて設定される第１燃焼器６３の温度の目標値及び第２燃焼器６９の温度の目標値に応じた空気流量が実現されるように、エアブロア４２の出力を操作する。さらに、コントローラ７０は、設定された空気流量及び現在の運転状態などに応じて、第１インジェクタ２８及び第２インジェクタ６７の開度を操作するようにプログラムされている。
More specifically, the
特に、本実施形態のコントローラ７０は、燃料電池システム１の始動時（以下、単に「始動時」とも記載する）に第１燃焼器６３及び第２燃焼器６９の状態に応じて燃料タンク２３から燃焼器用蒸発器６４への燃料供給を制御する。
In particular, the
特に、本実施形態では、コントローラ７０は、システム始動時において、少なくとも燃焼器用蒸発器６４が燃料を好適に気化させる観点から定まる蒸発可能温度ＴＶに達するとともに第１燃焼器温度及び第２燃焼器温度の双方が燃焼可能となる温度であるライトオフ温度Ｔ１Ｌ，Ｔ２Ｌに達してから、燃料タンク２３から副燃料供給通路６５を介して燃焼器用蒸発器６４に燃料が供給されるように第２インジェクタ６７を操作する。
In particular, in the present embodiment, the
したがって、本実施形態の燃料電池システム１によれば、システム始動時において、燃料は、燃焼器用蒸発器６４において第１燃焼器６３からの燃焼ガスとの熱交換で加熱されて、副燃料供給通路６５及び第１燃料供給通路６５ａを介して第１燃焼器６３に燃料が供給されることとなる。
Therefore, according to the
すなわち、本実施形態の燃料電池システム１の構成によれば、第１燃焼器６３の生成熱の一部を再び第１燃焼器６３に戻す熱ループを実現することができる。
That is, according to the configuration of the
次に、本実施形態の燃料電池システム１の始動時制御について説明する。図２は、コントローラ７０による燃料電池システム１の始動時制御の手順を示すフローチャートである。
Next, startup control of the
この始動時制御は、燃料電池システム１の始動時にコントローラ７０によって実行される。ここにいうシステム始動時とは、燃料電池システム１の運転が停止している状態（燃料電池スタック１０を含む燃料電池システム１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７０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３１、燃料電池スタック１０、及び燃焼器１６等の燃料電池システム１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１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１０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。
This startup control is executed by the
コントローラ７０は、ユーザの所定の操作などをトリガとする燃料電池システム１の始動指令を検出すると、図２に示される始動時制御を開始する。
When the
ステップＳ１０１において、コントローラ７０は、第１燃焼器６３に付属するヒータ（オフガス通路６２のガスを加熱するように設けられたヒータ）を用いて第１燃焼器６３、第２燃焼器６９、及び燃焼器用蒸発器６４を暖機するプレ暖機処理を実行する。具体的に、コントローラ７０は、上記ヒータに予め設定される所望の流量の空気を供給するようにエアブロア４２の出力を調節する。
In step S101, the
そして、コントローラ７０は、ステップＳ１０２において、燃焼器用蒸発器６４が上記蒸発可能温度以上であって、且つ第２燃焼器６９の温度がライトオフ温度Ｔ２Ｌ以上か否かを判定する。
Then, in step S102, the
そして、コントローラ７０は、ステップＳ１０２の判定結果が肯定的である場合に、ステップＳ１０３の処理に進み、第１燃焼器６３及び第２燃焼器６９に対する本暖機処理を開始する。
If the determination result in step S102 is affirmative, the
この本暖機処理において、コントローラ７０は、第１燃焼器６３の温度及び第２燃焼器６９の温度のそれぞれが予め定められる目標温度に到達するように、第１燃焼器６３及び第２燃焼器６９への燃料供給量（第２インジェクタ６７の開度及び開閉弁Ｖ１の開度）、及びエアブロア４２の出力（第１燃焼器６３及び第２燃焼器６９への空気供給量）を調節する。
In this main warm-up process, the
特に、コントローラ７０は、第１燃料供給通路６５ａに供給される燃料の供給量が、第２燃料供給通路６５ｂに供給される燃料の供給量よりも多くなるように開閉弁Ｖ１を操作する。
In particular, the
なお、本実施形態では、上記のようにヒータは第１燃焼器６３に付属して設けられる。このため、本実施形態のプレ暖機処理においては、ヒータに対して相対的に近い位置の第１燃焼器６３の昇温速度は、相対的に遠い位置の第２燃焼器６９の昇温速度よりも大きくなる。したがって、第２燃焼器６９の温度がライトオフ温度Ｔ２Ｌに到達するよりも早く第１燃焼器６３の温度がライトオフ温度Ｔ１Ｌに到達する。
Note that in this embodiment, the heater is provided attached to the
この点を考慮して、本実施形態では、第２燃焼器６９の温度がライトオフ温度Ｔ２Ｌに達した判断された場合には、第１燃焼器６３及び第２燃焼器６９の温度の双方がライトオフ温度Ｔ１Ｌ，Ｔ２Ｌに達したとみなして各燃焼器への燃料供給が開始される本暖機処理に移行する。すなわち、本実施形態の燃料電池システム１の構成であれば、第１燃焼器６３及び第２燃焼器６９の双方がライトオフ温度Ｔ１Ｌ，Ｔ２Ｌに達するタイミングを、第２燃焼器６９の温度のみから適切に判断することができる。これにより、制御ロジックの簡素化を図ることができるとともに、適宜、第１燃焼器６３の温度を検出するためのセンサ類を省略して製造コストの低減を図ることもできる。
Considering this point, in this embodiment, when it is determined that the temperature of the
そして、コントローラ７０は、本暖機処理を完了した後に、適宜、ステップＳ１０４に示される通常運転に移行する。通常運転では、少なくとも、第１燃焼器６３の温度が通常運転可能温度Ｔ１Ｃに到達し、かつ第２燃焼器６９の温度が通常運転可能温度Ｔ２Ｃに到達している。また、コントローラ７０は、システム外部からの要求に応じて定まる燃料電池スタック１０の目標出力に応じた供給空気流量及び供給燃料量を実現するように、第１インジェクタ２８の開度及びエアブロア４２の出力を調節する。
After the
続いて、図３のタイミングチャートを参照して、上記の発電制御処理について説明する。図３は、本実施形態の各部の作動状態を時系列に示すタイミングチャートである。 Next, the above power generation control process will be explained with reference to the timing chart of FIG. FIG. 3 is a timing chart showing the operating states of each part of this embodiment in chronological order.
図３のタイミングチャートでは、上から順に、カソードガスの流量の変化、第１燃料供給通路６５ａの燃料流量の変化、第２燃料供給通路６５ｂの燃料流量の変化、ヒータの出力電力の変化、及び各要素の温度の変化が示されている。なお、本実施形態では、コントローラ７０は、一例として、第１燃焼器６３の温度を温度センサＴ２に基づいて検出し、燃焼器用蒸発器６４の温度を温度センサＴ４に基づいて検出し、また第２燃焼器６９の温度を温度センサＴ５に基づいて検出するものとする。
In the timing chart of FIG. 3, from top to bottom, changes in the cathode gas flow rate, changes in the fuel flow rate in the first
時刻ｔ１において、プレ暖機処理（ステップＳ１０３）が開始されることで、第１燃焼器６３、燃焼器用蒸発器６４、及び第２燃焼器６９のそれぞれの温度が上昇し始める。
At time t1, the pre-warm-up process (step S103) is started, and the temperatures of the
時刻ｔ２において、相対的にヒータに近い位置に設けられている第１燃焼器６３の温度がライトオフ温度Ｔ１Ｌに達する。その後、時刻ｔ３において、第１燃焼器６３の排気燃焼ガス通路６６において下流に配置される燃焼器用蒸発器６４の温度が燃料を気化することができる蒸発可能温度ＴＶに達する。さらにその後、時刻ｔ４において、第２燃焼器６９の温度がライトオフ温度Ｔ２Ｌに達する。
At time t2, the temperature of the
そして、時刻ｔ４において本暖機処理（ステップＳ１０３）に移行する。したがって、第１燃焼器６３の燃焼による生成熱及び第２燃焼器６９の燃焼による生成熱によって、燃料電池システム１における各要素（特に、空気熱交換器４３、第１燃焼器６３、第２燃焼器６９、燃焼器用蒸発器６４、燃料電池スタック１０、及び改質処理装置２４）の温度が徐々に上昇することとなる。
Then, at time t4, the main warm-up process (step S103) is started. Therefore, each element in the fuel cell system 1 (particularly, the
特に、図３に示されるように、本暖機処理中において、第１燃料供給通路６５ａの燃料供給量は第２燃料供給通路６５ｂの燃料供給量よりも多くなるように調節されている。
In particular, as shown in FIG. 3, during the main warm-up process, the amount of fuel supplied to the first
なお、本実施形態では、本暖機処理中においては、第１燃焼器６３からの燃焼ガスの保有熱に対して第２燃焼器６９における燃焼による生成熱が上乗せされて空気熱交換器４３に供給されることとなる。これにより、第１燃焼器６３からの燃焼ガスの保有熱が燃焼器用蒸発器６４における熱交換により奪われたとしても、空気熱交換器４３に供給すべき熱量を確保することができる。
In this embodiment, during the main warm-up process, the heat produced by combustion in the
なお、図３では、時刻ｔ４の後、一時的に燃焼器用蒸発器６４の温度が低下しているが、これは燃料タンク２３から供給された低温の燃料による影響である。したがって、本実施形態では、図３に示すように、このような低温の燃料の供給を開始することに起因した急激な温度変化を抑制する観点から、第１燃焼器６３及び第２燃焼器６９に対する燃料供給量を段階的に増加させている。
Note that in FIG. 3, the temperature of the
なお、本実施形態では、上記のように、第１燃料供給通路６５ａに供給される燃料の供給量を第２燃料供給通路６５ｂに供給される燃料の供給量よりも多く設定するための具体的な手段として、コントローラ７０による開閉弁Ｖ１の開度制御を行っている。しかしながら、これに限られず、例えば、第１燃料供給通路６５ａ及び第２燃料供給通路６５ｂのそれぞれの流路径の調整、又は第２燃料供給通路６５ｂにオリフィスを設けるなどの各燃料供給路の構造そのものを変更することによって、上記燃料の供給量の大小関係を実現してもよい。
In addition, in this embodiment, as described above, there is a specific method for setting the amount of fuel supplied to the first
また、上記の実施形態では、空気熱交換器４３の高温側通路に触媒が塗布されている。しかしながら、これに代えて又はこれとともに、第１燃焼器６３の下流に配置されている改質器３１の高温側通路であるアノード側排気燃焼ガス通路６６ａ、又は燃焼器用蒸発器６４の高温側通路である排気燃焼ガス通路６６に触媒を設ける構成を採用しても良い。
Further, in the above embodiment, a catalyst is applied to the high temperature side passage of the
また、上記実施形態においては、第１燃焼器６３の温度、燃焼器用蒸発器６４の温度、及び第２燃焼器６９の温度を、それぞれ一つの温度センサの値に基づいて検出する構成が例示されている。しかしながら、上記の各構成の温度は、それぞれ複数の温度センサの値に基づいて各構成の温度を検出されてもよい。例えば、第１燃焼器６３の温度に関して、入口温度を示す温度センサＴ１と出口温度を示す温度センサＴ２とから、第１燃焼器６３の温度が推定されてもよい。
Further, in the above embodiment, a configuration is exemplified in which the temperature of the
以上説明した本実施形態の燃料電池システム１によれば、以下の作用効果を奏する。
According to the
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料タンク（燃料供給源）２３からの燃料を改質処理した改質燃料とエアブロア（酸化剤ガス供給源）４２からの酸化剤ガスを固体酸化物形の燃料電池スタック（燃料電池）１０に供給して発電させる燃料電池システム１である。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０を暖機する燃焼ガスを生成する第１燃焼器６３と、第１燃焼器６３からの燃焼ガスと燃料タンク２３からの燃料との熱交換を行う燃焼器用蒸発器６４と、第１燃焼器６３からの燃焼ガスと燃料タンク２３からの燃料との熱交換を行うことにより、燃料の改質処理を行う改質処理装置２４と、第１燃焼器６３からの燃焼ガスとカソードガス（酸化剤ガス）との熱交換を行う空気熱交換器４３と、燃焼器用蒸発器６４からの燃料を、第１燃焼器６３の上流に供給する第１燃料通路（第一燃料通路）６５ａと、燃焼器用蒸発器６４からの燃料を、空気熱交換器４３の上流に供給する第２燃料通路（第二燃料通路）６５ｂと、燃焼器用蒸発器６４からの燃焼ガスを少なくとも空気熱交換器４３を介して排気系６８に排出する排気燃焼ガス通路６６と、空気熱交換器４３の高温側通路（空気熱交換器４３内部の高温ガス通路）に触媒を塗布することで構成される補助燃焼部としての第２燃焼器６９と、燃料電池システム１の始動時に第１燃焼器６３の状態に応じて少なくとも燃料タンク２３から燃焼器用蒸発器６４への燃料供給を制御するコントローラ（制御装置）７０と、を備える。
The
このように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、空気熱交換器４３の高温側通路である空気熱交換器４３の内部のチューブやプレートに燃焼触媒が塗布されることによって、この高温側通路が第２燃焼器６９として機能する。これにより、燃焼器用蒸発器６４を通過することによって失われた燃焼ガスの熱量を補填することができるので、空気熱交換器４３に所望の熱量を供給することができる。
As described above, according to the
具体的には、比較例としての図８に示されるように、第１燃焼器６３から排出される燃焼ガスは燃焼器用蒸発器６４において熱交換された後、空気熱交換器４３に流入する。したがって、燃焼器用蒸発器６４において温度が低下した燃焼ガスが空気熱交換器４３に供給される。これに対して、本実施形態の燃料電池システム１では、空気熱交換器４３の高温側の通路であるカソード側排気燃焼ガス通路６６ｂに塗布された燃焼触媒によって生じる熱により、空気熱交換器４３に対して所望の熱量を供給することができる。
Specifically, as shown in FIG. 8 as a comparative example, the combustion gas discharged from the
このように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃焼器用蒸発器６４を経ることによって燃焼ガスの熱量が低下したとしても、第２燃焼器６９における燃焼による熱が追加されるため、空気熱交換器４３において所望の熱量が確保される。
As described above, according to the
なお、上記したように、補助燃焼部としての第２燃焼器６９は、燃焼器用蒸発器６４又は改質器３１の高温側通路に形成されてもよい。この場合においても、燃焼器用蒸発器６４又は改質器３１の第２燃焼器６９において燃焼が生じて発熱するため、燃焼器用蒸発器６４又は改質器３１に対して高温の燃焼ガスを供給することができる。
Note that, as described above, the
さらに、このように、既存の通路や熱交換路を利用して第２燃焼器６９を構成することができるので、相対的に大型の燃焼器を設ける必要がない。これにより、レイアウトに余裕ができるため、第２燃焼器６９に供給される燃料と空気との混合距離を稼ぐことができる。このため、通常の燃焼器のように、ハニカム構造などの特殊な流路形状を用いずとも、燃焼反応を効率的に実行する観点から好適な燃料と空気との混合作用を得ることができる。特に、このように第２燃焼器６９が一定距離以上の長さに亘って構成されることで、燃焼時の生成熱が当該長さ領域に分散して生じることとなる。このため、特定領域における熱集中の発生が抑制されるため、第２燃焼器６９の熱劣化を抑制してその耐用年数を向上させることができる。さらに、特殊な流路形状が要求されないので、簡素且つ低コストに第２燃焼器６９を構成することができる。
Furthermore, since the
また、本実施形態の燃料電池システム１は、第１燃料供給通路６５ａ（第一燃料通路）に供給される燃料の供給量が、第２燃料供給通路６５ｂ（第二燃料通路）に供給される燃料の供給量よりも多くなるように構成される。
Further, in the
上記のように、第２燃焼器６９は通路に塗布された燃焼触媒によって構成されるため、ハニカム構造などの特殊な流路形状を有する燃焼器と比較して燃焼反応に寄与する面積が小さくなる傾向にある。したがって、第２燃焼器６９において許容される燃料供給量の上限は第１燃焼器６３のそれと比べて小さくなる。このため、第２燃料供給通路６５ｂへの燃料供給量を、第１燃料供給通路６５ａへの燃料供給量よりも少なくすることによって、より確実に第２燃焼器６９への燃料供給量を許容上限以下に抑えることができ、第２燃焼器６９においても好適に燃焼反応を生じさせることができる。
As mentioned above, since the
また、本実施形態の燃料電池システム１は、第１燃料通路（第一燃料通路）６５ａと第２燃料通路（第二燃料通路）６５ｂとの燃料供給量を調節する開閉弁（燃料供給量調節装置）Ｖ１をさらに備える。コントローラ（制御装置）７０は、開閉弁Ｖ１を操作することによって、第１燃料供給通路６５ａの供給量が第２燃料供給通路６５ｂの供給量よりも多くなるように制御する。
Further, the
このように、通路に開閉弁Ｖ１を設ける簡易な構成によって、第１燃焼器６３及び第２燃焼器６９に供給される燃料の流量を調節することができる。
In this way, the flow rate of fuel supplied to the
また、本実施形態の燃料電池システム１において、第１燃料供給通路６５ａに供給される単位時間あたりの燃料の供給量が、第２燃料供給通路６５ｂに供給される単位時間当たりの燃料の供給量よりも多くなるように、第１燃料供給通路６５ａ及び第２燃料供給通路６５ｂの通路の形状を定めても良い。
In the
このように、二つの燃料供給路にそれぞれ所望の流量の燃料が供給されるように、それぞれの通路の形状が定められることにより、電気的な制御を要さずに、第１燃焼器６３及び第２燃焼器６９の燃料供給量を調節することもできる。
In this way, the shapes of the two fuel supply passages are determined so that the desired flow rates of fuel are supplied to each of the passages, so that the
また、本実施形態の燃料電池システム１では、改質器３１、空気熱交換器４３、及び燃焼器用蒸発器６４のうち二つ以上の熱交換器の高温側通路に触媒が塗布されることが望ましい。
Further, in the
このように、改質器３１、空気熱交換器４３、及び燃焼器用蒸発器６４のうち二つ以上の熱交換器の高温側の通路に触媒が塗布されることによって、これらの内の何れかの高温側の通路に触媒を塗布する場合と比較して触媒の塗布面積が向上するため、一定の触媒容積に対する単位時間当たりの燃料の処理量（ＳＶ比）を向上させることができる。
In this way, by applying the catalyst to the high temperature side passages of two or more of the heat exchangers among the
また、本実施形態の燃料電池システム１では、第２燃焼器６９に供給される燃料は気化燃料であることが望ましい。
Furthermore, in the
このように、気化燃料が第２燃焼器６９に供給されることによって、第２燃焼器６９において高効率で燃焼反応が生じるため、液体燃料を燃焼するよりも多くの熱量が生じる。これにより、空気熱交換器４３に追加される熱量が増加し、結果として燃料電池システム１の暖機を促進することができる。
In this way, by supplying the vaporized fuel to the
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
(Second embodiment)
Next, a
図４は本実施形態の燃料電池システム１の構成の概要を示す図である。図４に示されるように、本実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態の構成に対して第２燃焼器用蒸発器８０、第３燃料供給通路８１、及び第３インジェクタ８２が追加されている。
FIG. 4 is a diagram showing an outline of the configuration of the
第２燃焼器用蒸発器８０は、燃料タンク２３から第３燃料供給通路８１を介して供給される液体燃料を、カソード側排気燃焼ガス通路６６ｂ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。
The
より詳細には、第２燃焼器用蒸発器８０は、燃料入口８０ａが第３燃料供給通路８１を介して燃料タンク２３に接続される。また、第２燃焼器用蒸発器８０の燃料出口８０ｂは、合流部Ｊ３において、第３燃料供給通路８１を介してカソード側排気燃焼ガス通路６６ｂに接続される。
More specifically, the
また、第２燃焼器用蒸発器８０の燃焼ガス入口８０ｃは、カソード側排気燃焼ガス通路６６ｂを介して燃焼器用蒸発器６４の燃焼ガス出口６４ｄに接続される。燃焼ガス出口８０ｄは、カソード側排気燃焼ガス通路６６ｂを介して空気熱交換器４３の燃焼ガス入口４３ｃに接続される。
Further, the
このように、第２燃焼器用蒸発器８０は、燃料入口８０ａから燃料出口８０ｂに向かって流れる燃料と、燃焼ガス入口８０ｃから燃焼ガス出口８０ｄ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。
In this way, the
第３燃料供給通路８１は、燃料タンク２３から第２燃焼器用蒸発器８０へ燃料を供給する燃料供給路として機能する。
The third
第３インジェクタ８２は、第３燃料供給通路８１に設けられており、コントローラ７０によって制御されて第２燃焼器用蒸発器８０に供給する燃料を調節する。
The
本実施形態における第２燃焼器６９は、第１実施形態と同様に、空気熱交換器４３の内部の高温側通路の内面に触媒を塗布することによって構成されている。
The
第２燃焼器６９に供給される燃料は、第２燃焼器用蒸発器８０において、その一部又は全部が気化されたものである。第２燃焼器用蒸発器８０の燃料出口８０ｂから供給された燃料は、第２燃焼器６９に塗布された触媒によって燃焼反応を生じる。そして、第２燃焼器６９において生じた熱は、第２燃焼器６９における燃焼ガスと第２燃焼器用蒸発器８０からの燃焼ガスとが混合した混合ガスの保有熱として、空気熱交換器４３に供給される。
The fuel supplied to the
そして、空気熱交換器４３では、カソードガス供給通路４１から供給されるカソードガスは、第２燃焼器６９からの燃焼ガス及び第２燃焼器用蒸発器８０を通過した燃焼ガスの混合ガスの保有熱によって昇温される。
In the
続いて、本実施形態の始動時制御について説明する。図５は、本実施形態の始動時制御の流れを説明するフローチャートである。第１の実施形態と同様の処理には同一の符号を付して説明を省略する。 Next, the startup control of this embodiment will be explained. FIG. 5 is a flowchart illustrating the flow of start-up control in this embodiment. Processes similar to those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
コントローラ７０は、ユーザの所定の操作などをトリガとする燃料電池システム１の始動指令を検出すると、図５に示される始動時制御を開始する。
When the
ステップＳ１０１において、コントローラ７０は、第１燃焼器６３、第２燃焼器６９、及び燃焼器用蒸発器６４を暖機するプレ暖機処理を実行する。
In step S101, the
そして、コントローラ７０は、ステップＳ２０２において、ヒータに最も近い位置に配置される第１燃焼器６３がライトオフ温度Ｔ１Ｌ以上であり、かつ燃焼器用蒸発器６４が蒸発可能温度ＴＶ以上であるか否かを判定する。コントローラ７０は、ステップＳ２０２の判定結果が肯定的である場合に、ステップＳ２０３の処理に進み、第１燃焼器６３の本暖機処理を開始する。
Then, in step S202, the
第１燃焼器６３の本暖機処理では、コントローラ７０が第２インジェクタ６７を制御することによって第１燃焼器６３に燃料供給を開始する。第１燃焼器６３は、燃料供給が開始されると、燃焼器用蒸発器６４から供給される気化燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは、排気燃焼ガス通路６６を介して、燃焼器用蒸発器６４、第２燃焼器用蒸発器８０、及び空気熱交換器４３に供給される。
In the main warm-up process for the
したがって、第１燃焼器６３において本暖機処理が行われることによって、燃焼器用蒸発器６４及び第２燃焼器用蒸発器８０の暖機が促進される。また、空気熱交換器４３を通るカソードガスの温度も上昇することになるため、燃料電池システム１全体の暖機も促進される。
Therefore, by performing the main warm-up process in the
そして、コントローラ７０は、ステップＳ２０４において、第１燃焼器６３よりもヒータから遠い位置にある第２燃焼器６９がライトオフ温度以上であるか否かを判定する。コントローラ７０は、ステップＳ２０４の判定結果が肯定的である場合に、ステップＳ２０５の処理に進み、第２燃焼器６９の本暖機処理を開始する。
Then, in step S204, the
第２燃焼器６９の本暖機処理では、コントローラ７０が第３インジェクタ８２を制御することによって第２燃焼器６９に燃料供給を開始する。第２燃焼器６９は、燃料供給が開始されると第２燃焼器用蒸発器８０から供給される気化燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する。
In the main warm-up process for the
したがって、空気熱交換器４３には、第２燃焼器用蒸発器８０の燃焼ガス出口８０ｄによって供給される熱に加えて、第２燃焼器６９の燃焼熱が供給される。このように、本実施形態では、燃焼器用蒸発器６４を通過することによって失われた熱量を、第２燃焼器６９において生じる燃焼熱によって補填する。
Therefore, the
また、本実施形態では、第１燃焼器６３及び第２燃焼器６９のそれぞれに対して、第２インジェクタ６７及び第３インジェクタ８２が備えられている。このように、それぞれの燃焼器に対して燃料供給を制御する第２インジェクタ６７及び第３インジェクタ８２が設けられているため、第１燃焼器６３及び第２燃焼器６９に対してそれぞれ異なるタイミングで燃料を供給することができる。このため、コントローラ７０は、二つの燃焼器が異なるタイミングでライトオフ温度Ｔ１Ｌ，Ｔ２Ｌに達する場合であっても、それぞれの燃焼器がライトオフ温度Ｔ１Ｌ，Ｔ２Ｌに達した時点で個別に燃料供給を開始できる。
Further, in this embodiment, a
そして、コントローラ７０は、本暖機処理を完了した後に、適宜、ステップＳ１０４に示される通常運転に移行する。
After the
なお、本実施形態の始動制御においては、コントローラ７０は、第１燃焼器６３の温度判定の後に第２燃焼器６９の温度判定を行っている。これは、第１燃焼器６３が第２燃焼器６９よりもヒータに近い位置に設けられており、第１燃焼器６３の温度上昇が第２燃焼器６９の温度上昇よりも早いことを前提としているためである。したがって、ヒータの配置に応じて、第２燃焼器６９の温度判定の後に第１燃焼器６３の温度判定が実行されてもよく、また二つの燃焼器の温度判定が並行に実行されても良い。
Note that in the startup control of this embodiment, the
続いて、図６に示されるタイミングチャートを参照して、本実施形態の始動制御を説明する。 Next, the startup control of this embodiment will be explained with reference to the timing chart shown in FIG.
時刻ｔ１において、プレ暖機処理（ステップＳ１０３）が開始されることで、第１燃焼器６３、燃焼器用蒸発器６４、第２燃焼器６９、及び第２燃焼器用蒸発器８０、のそれぞれの温度が上昇し始める。
At time t1, the pre-warm-up process (step S103) is started, so that the temperatures of each of the
時刻ｔ２において、相対的にヒータに近い位置に設けられている第１燃焼器６３の温度がライトオフ温度Ｔ１Ｌに到達する。そして、第１燃焼器６３が燃焼可能な温度となってからしばらく経過した時刻ｔ３において、燃焼器用蒸発器６４が蒸発可能温度ＴＶに到達する。
At time t2, the temperature of the
時刻ｔ３において、副燃料供給通路６５を介して燃焼器用蒸発器６４に燃料が供給されると、燃料は気化されて第１燃焼器６３に供給される。そして、第１燃焼器６３では、燃焼による本暖機処理（ステップＳ２０３）が行われる。
At time t3, when fuel is supplied to the
その後、第１燃焼器６３における燃焼熱によって、時刻ｔ４において、第２燃焼器６９の温度がライトオフ温度Ｔ２Ｌに到達する。時刻ｔ４において、第３燃料供給通路８１を介して第２燃焼器用蒸発器８０に燃料が供給されると、燃料は気化されて第２燃焼器６９に供給される。そして、第２燃焼器６９では、燃焼による本暖機処理（ステップＳ２０５）が行われる。
Thereafter, due to the heat of combustion in the
また、図５に示されるように、本暖機処理中において（ステップＳ２０３及びステップＳ２０５）、第１燃料供給通路６５ａの燃料供給量は第３燃料供給通路８１の燃料供給量よりも多くなるように調節されている。
Further, as shown in FIG. 5, during the main warm-up process (steps S203 and S205), the amount of fuel supplied to the first
なお、本実施形態においても、本暖機処理中においては、第１燃焼器６３からの燃焼ガスの保有熱に対して第２燃焼器６９における燃焼による生成熱が上乗せされて空気熱交換器４３に供給されることとなる。これにより、第１燃焼器６３からの燃焼ガスの保有熱が燃焼器用蒸発器６４における熱交換により奪われたとしても、空気熱交換器４３に供給すべき熱量を確保することができる。
Also in this embodiment, during the main warm-up process, the heat produced by combustion in the
また、本実施形態では、上記のように、第１燃料供給通路６５ａに供給される燃料の供給量を第３燃料供給通路８１に供給される燃料の供給量よりも多く設定するための具体的な手段として、コントローラ７０による第３インジェクタ８２の制御を行っている。しかしながら、コントローラ７０による制御に限らず、例えば、副燃料供給通路６５及び第３燃料供給通路８１のそれぞれの流路径の調整、又は副燃料供給通路６５にオリフィスを設けるなどの各燃料供給路の構造そのものを変更することによって、上記燃料の供給量の大小関係を実現してもよい。
Further, in the present embodiment, as described above, specific steps are taken to set the amount of fuel supplied to the first
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。 According to this embodiment, the following effects are achieved.
本実施形態の燃料電池システム１によれば、第２インジェクタ（第一燃料供給器）６７と第３インジェクタ（第二燃料供給器）８２とをさらに備える。そして、第２インジェクタ６７は、燃料タンク（燃料供給源）２３から第１燃料供給路（第一燃料通路）６５ａに供給される燃料の供給量を調節する。第３インジェクタ８２は、燃料タンク２３から第３燃料供給通路８１に供給される燃料の供給量を調節する。
According to the
このように、第２インジェクタ６７及び第３インジェクタ８２の二つのインジェクタを、第１燃料供給通路６５ａと第３燃料供給通路８１のそれぞれに設けることによって、各燃料供給路に対して異なるタイミングで燃料供給を開始することができる。これにより、各燃料供給路の先に接続される燃焼器の温度が異なるタイミングでライトオフ温度Ｔ１Ｌ，Ｔ２Ｌに達する場合においても、それぞれの燃焼器がライトオフ温度Ｔ１Ｌ，Ｔ２Ｌに達するタイミングに合わせて個別に燃料供給を開始することができる。したがって、先にライトオフ温度Ｔ１Ｌ，Ｔ２Ｌに達した一方の燃焼器に対する本暖機処理を、他方の燃焼器に対する本暖機処理に先立って開始することができる。結果として、先に本暖機処理が開始される燃焼器の燃焼熱によって他方の燃焼器のライトオフ温度Ｔ１Ｌ，Ｔ２Ｌへの到達を促進することができる。結果として、第１燃焼器６３及び第２燃焼器６９の双方の本暖機処理の完了までの時間をより短縮することができる。
In this way, by providing two injectors, the
さらに、燃料電池システム１内が高温になることが想定されるため、燃料電池システム１のケース内に燃料供給量を調節するためのバルブを設けることが困難なことがある。このような場合に、二つの燃焼器のそれぞれに対して燃料供給通路とインジェクタとが設けられることによって、燃料供給を安定的に制御することができる利点もある。
Furthermore, since it is assumed that the inside of the
また、本実施形態の燃料電池システム１によれば、第３燃料供給路（第二燃料通路）８２と第２燃焼器（補助燃焼部）６９との間に、第３燃料供給通路８１から供給される燃料を気化するための第２燃焼器用蒸発器（燃料気化器）８０をさらに備える。
Further, according to the
このように、第２燃焼器６９の手前に第２燃焼器用蒸発器８０が設けられることによって、第２燃焼器６９に供給される燃料がより確実に気化される。これにより、第２燃焼器６９における燃焼効率が上昇するため、空気熱交換器４３に供給される燃焼ガスの熱量を上げることが可能となる。
In this way, by providing the
（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。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、その説明を適宜省略する。
(Third embodiment)
Next, a
本実施形態に係る燃料電池システム１では、図１に示す構成の燃料電池システム１において、第１燃焼器６３及び第２燃焼器６９に塗布された燃焼触媒の耐熱温度に応じた燃料供給制御が行われる。
In the
特に、コントローラ７０は、温度センサＴ１の検出値（第１燃焼器６３の入口におけるガス温度に相当）、及び温度センサＴ２の検出値（第１燃焼器６３の出口におけるガス温度に相当）に基づいて、第１燃焼器６３への目標燃料供給量を定める。
In particular, the
具体的に、第１燃焼器６３を通過する燃焼ガスの質量が保存されることを前提として適切に定められる係数を、温度センサＴ１の検出値と温度センサＴ２の検出値の差（第１燃焼器６３を通過する燃焼ガスの熱量の増大分に相当）に乗じることで、第１燃焼器６３の燃焼による生成熱量として演算する。
Specifically, a coefficient that is appropriately determined on the premise that the mass of the combustion gas passing through the
さらに、コントローラ７０は、第１燃焼器６３へ供給される燃料が全て燃焼に消費されること、及び燃焼熱が全て燃焼ガスに与えられることを前提として定められる係数を演算した生成熱量に乗じることで、第１燃焼器６３への燃料供給量を演算することができる。
Further, the
コントローラ７０は、上記のように設定したモデルにしたがい、第１燃焼器６３の燃焼触媒の実温度（例えば、温度センサＴ２の検出値）が予め定められる耐熱温度以下となる制限を維持しつつ、演算される生成熱量が要求値にできるだけ近づくように、第１燃焼器６３への目標燃料供給量を定めることができる。
In accordance with the model set as described above, the
同様に、コントローラ７０は、温度センサＴ３の検出値（第２燃焼器６９の入口におけるガス温度に相当）及び温度センサＴ５の検出値（第２燃焼器６９の出口におけるガス温度に相当）に基づいて、第２燃焼器６９への目標燃料供給量を定める。特に、第２燃焼器６９への目標燃料供給量は、第２燃焼器６９の燃焼触媒の実温度（例えば、温度センサＴ３の検出値）が予め定められる耐熱温度以下となる制限を維持しつつ、燃焼ガスが燃焼器用蒸発器６４を通過することによって失われる熱量を補う生成熱量が得られるように設定される。
Similarly, the
なお、コントローラ７０は、燃焼器用蒸発器６４の入口温度に相当する温度センサＴ２の値と、燃焼器用蒸発器６４の出口温度に相当する温度センサＴ４の値と、を用いて燃焼ガスが燃焼器用蒸発器６４を通過することによって失われる熱量を演算する。
The
また、燃料供給量の演算方法は上記の方法に限られず、燃焼器用蒸発器６４によって奪われた熱量が補完されるような燃料供給量の方法であればいかなる方法であってもよい。
Further, the method for calculating the fuel supply amount is not limited to the above method, and any method may be used as long as it is a method for calculating the fuel supply amount that complements the amount of heat taken by the
なお、上記燃料供給制御方法の説明においては、第１実施形態の構成を例示して説明した。しかしながら、本実施形態における燃料供給制御方法は、第２実施形態の燃料電池システム１に対して適用されてもよい。特に、本実施形態の説明において、第１実施形態の第２燃料供給通路６５ｂに対応する第２実施形態の構成は第３燃料供給通路８１である。
In addition, in the description of the above fuel supply control method, the configuration of the first embodiment was explained as an example. However, the fuel supply control method in this embodiment may be applied to the
本実施形態の作用効果を以下で説明する。 The effects of this embodiment will be explained below.
コントローラ７０は、触媒を耐熱温度以下に維持しつつ、燃焼器用蒸発器（燃焼気化器）６４を通過することで失われる燃焼ガスの熱量を補うように、第２燃料供給通路（第二燃料通路）６５ｂへの燃料の供給量を制御する。
The
このように、第２燃焼器６９に対して、温度低下に応じた分の燃料を供給することによって、必要最低限の燃料を第２燃焼器６９に供給するため、燃料の消費量を削減することができる。また、第２燃料供給路の燃料供給量を、触媒の耐熱温度以下となる供給量に抑えることによって、第２燃焼器６９の触媒の耐用年数を向上させることができる。
In this way, by supplying fuel to the
（変形例）
次に、図７を参照して第２実施形態の変形例について説明する。
(Modified example)
Next, a modification of the second embodiment will be described with reference to FIG. 7.
本変形例では、第２実施形態の構成に加えて、第２燃焼器６９が改質器３１の高温側通路に設けられている。さらに、本変形例の燃料電池システム１では、アノード側排気燃焼ガス通路６６ａに代えて改質器３１に燃焼ガスを供給するための第２燃焼ガス通路９０が設けられる。第２燃焼ガス通路９０は、第３燃料供給通路８１の分岐部Ｊ６から改質器３１の燃焼ガス入口３１ｃの間を接続する。すなわち、第２燃焼ガス通路９０は、カソード側排気燃焼ガス通路６６ｂにおける第３燃料供給通路８１との合流部Ｊ３又はその下流の分岐部Ｊ６から燃焼ガス入口３１ｃに亘って設けられている。
In this modification, in addition to the configuration of the second embodiment, a
このように、本変形例では、改質器３１には、第２燃焼ガス通路９０によって、燃焼ガスと燃料との混合ガスが供給される構成となっている。したがって、第２燃焼ガス通路９０は改質器３１の第２燃焼器６９に燃料を供給するための通路として機能する。
In this manner, in this modification, the
これにより、第２実施形態と同様の効果を奏するとともに、改質器３１が第２燃焼器６９の燃焼により直接暖められるため、改質器３１の暖機を促進することができる。
Thereby, the same effects as in the second embodiment are achieved, and since the
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
２３ 燃料タンク
２４ 改質処理装置
４２ エアブロア
４３ 空気熱交換器
６３ 第１燃焼器
６４ 燃焼器用蒸発器
６５ａ 第１燃料供給通路
６５ｂ 第２燃料供給通路
６６ 排気燃焼ガス通路
６８ 排気系
６９ 第２燃焼器
７０ コントローラ
1
Claims (9)
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蒸発器と、
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ことにより、前記燃料の改質処理を行う改質処理装置と、
前記燃焼器からの燃焼ガスと前記酸化剤ガスとの熱交換を行う空気熱交換器と、
前記燃焼器用蒸発器からの燃料を前記燃焼器の上流に供給する第一燃料通路と、
前記燃焼器用蒸発器からの燃料を前記空気熱交換器の上流に供給する第二燃料通路と、
前記燃焼器用蒸発器からの燃焼ガスを少なくとも前記空気熱交換器を介して排気系に排出する排気燃焼ガス通路と、
前記改質処理装置、前記空気熱交換器、及び前記燃焼器用蒸発器のうち少なくとも何れかの高温側通路に触媒を塗布することで構成される補助燃焼部と、
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蒸発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。 A fuel cell system for generating electricity by supplying reformed fuel obtained by reforming fuel from a fuel supply source and oxidizing gas from an oxidizing gas supply source to a solid oxide fuel cell,
a combustor that generates combustion gas to warm up the fuel cell;
a combustor evaporator that exchanges heat between combustion gas from the combustor and fuel from the fuel supply source;
a reforming device that performs a reforming process on the fuel by exchanging heat between combustion gas from the combustor and fuel from the fuel supply source;
an air heat exchanger that exchanges heat between combustion gas from the combustor and the oxidizing gas;
a first fuel passage supplying fuel from the combustor evaporator upstream of the combustor;
a second fuel passage supplying fuel from the combustor evaporator upstream of the air heat exchanger;
an exhaust combustion gas passage that discharges combustion gas from the combustor evaporator to an exhaust system through at least the air heat exchanger;
an auxiliary combustion section configured by applying a catalyst to a high-temperature side passage of at least one of the reforming processing device, the air heat exchanger, and the combustor evaporator;
a control device that controls fuel supply from at least the fuel supply source to the combustor evaporator according to the state of the combustor at the time of startup of the fuel cell system;
fuel cell system.
前記第一燃料通路に供給される燃料の供給量が、前記第二燃料通路に供給される燃料の供給量よりも多くなるように構成される
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
A fuel cell system configured such that the amount of fuel supplied to the first fuel passage is greater than the amount of fuel supplied to the second fuel passage.
前記第一燃料通路と前記第二燃料通路との燃料供給量を調節する燃料供給量調節装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記燃料供給量調節装置を操作することによって、前記第一燃料通路の供給量が前記第二燃料通路の供給量よりも多くなるように制御する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2,
further comprising a fuel supply amount adjustment device that adjusts the amount of fuel supplied to the first fuel passage and the second fuel passage,
The control device controls the supply amount of the first fuel passage to be larger than the supply amount of the second fuel passage by operating the fuel supply amount adjustment device.
fuel cell system.
前記制御装置は、前記触媒の温度検出値を予め定められる耐熱温度以下に維持しつつ、前記燃焼器用蒸発器を通過することで失われる燃焼ガスの熱量を補うように、前記第二燃料通路への燃料の供給量を制御する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3,
The control device supplies fuel to the second fuel passage so as to compensate for the amount of heat of the combustion gas lost by passing through the combustor evaporator while maintaining the detected temperature value of the catalyst below a predetermined heat-resistant temperature. control the amount of fuel supplied to
fuel cell system.
前記第一燃料通路に供給される単位時間あたりの燃料の供給量が、前記第二燃料通路に供給される単位時間当たりの燃料の供給量よりも多くなるように、前記第一燃料通路及び前記第二燃料通路の形状が定められる、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2,
The first fuel passage and the the shape of the second fuel passage is determined;
fuel cell system.
前記改質処理装置、前記空気熱交換器、及び前記燃焼器用蒸発器のうち二つ以上の高温側通路に前記触媒が塗布される、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
The catalyst is applied to two or more high-temperature side passages of the reforming processing device, the air heat exchanger, and the combustor evaporator,
fuel cell system.
前記補助燃焼部に供給される燃料は気化燃料である、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
The fuel supplied to the auxiliary combustion section is vaporized fuel,
fuel cell system.
第一燃料供給器と第二燃料供給器とをさらに備え、
前記第一燃料供給器は、前記燃料供給源から前記第一燃料通路に供給される燃料の供給量を調節し、
前記第二燃料供給器は、前記燃料供給源から前記第二燃料通路に供給される燃料の供給量を調節する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7,
further comprising a first fuel supply device and a second fuel supply device,
The first fuel supply device adjusts the amount of fuel supplied from the fuel supply source to the first fuel passage,
The second fuel supply device adjusts the amount of fuel supplied from the fuel supply source to the second fuel passage.
fuel cell system.
前記第二燃料通路と前記補助燃焼部との間に、前記第二燃料通路から供給される燃料を気化するための燃料気化器をさらに備える、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 8,
Further comprising a fuel vaporizer for vaporizing the fuel supplied from the second fuel passage between the second fuel passage and the auxiliary combustion section,
fuel cell system.
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