JPWO2017104258A1 - 燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の排気側に接続された第１の燃焼器と、第１の燃焼器を加熱する加熱装置と、加熱装置により第１の燃焼器を暖機した後に燃料電池の暖機制御を実施する暖機制御部と、備える。

Description

本発明は、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。

特願２０１０−２７５７９号公報は、固体酸化物型の燃料電池で使用後のアノードオフガスとカソードオフガスを混合して燃焼する排気燃焼器を開示している。この排気燃焼器により燃料電池で使用後のガスを無害なガスに変化させて外部に排出している。

一方、燃料電池は、発電させる前に暖機を行う必要があるが、通常、燃料電池に対してカソードガスの代わりに燃料を燃焼させた高熱の加熱ガスを燃料電池に供給して燃料電池とその後段にある排気燃焼器を暖機している。

しかし、暖機の初期段階では排気燃焼器の暖機が不十分であるので、燃料電池内に残留していた残留ガス（アノードガスまたはアノードオフガス）が燃料電池の温度上昇により押し出され、排気燃焼器で燃焼されずに外部に排出されてしまうという問題があった。また、加熱ガスを生成する段階で燃料が燃焼せず未燃ガスとして混入する場合があるが、これも排気燃焼器で燃焼されず外部に排出されてしまうという問題があった。

本発明は、燃料電池の暖機時においても残留ガス及び未燃ガスを確実に燃焼させて外部への排出を抑制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を提供することを目的とする。

本発明の一態様における燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の排気側に接続された第１の燃焼器と、第１の燃焼器を加熱する加熱装置と、加熱装置により第１の燃焼器を暖機した後に燃料電池の暖機制御を実施する暖機制御部と、備える。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの主要構成を示すブロック図である。 図２は、本実施形態の燃料電池システムの通常起動時の暖機前制御の手順を示すフローチャートである。 図３は、本実施形態の燃料電池システムの再起動時の暖機前制御の手順を示すフローチャートである。 図４は、本実施形態の燃料電池システムの暖機前制御において、アノードオフガス等を排気燃焼器に供給する経路に取り付けられた遮断弁を制御する場合の手順を示すフローチャートである。 図５は、本実施形態の燃料電池システムの暖機制御の手順を示すフローチャートである。 図６は、本実施形態の燃料電池システムの停止制御の手順を示すフローチャートである。 図７は、図２に示す手順の変形例である。 図８は、図３に示す手順の変形例である。

以下、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。

［燃料電池システムの構成］
図１は、本実施形態における燃料電池システム１０の主要構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２にアノードガス（燃料ガス）を供給する燃料供給系統と、燃料電池スタック１２を暖機させる暖機系統と、暖機系統と燃料電池スタック１２に空気を供給する空気供給系統と、燃料電池スタック１２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と、燃料電池スタック１２から電力を取り出して動力を得る駆動系統から構成される。

燃料供給系統は、燃料タンク２０、フィルタ２２、ポンプ２４、蒸発器３２、熱交換器３４、改質器３６等からなる。暖機系統は、起動燃焼器５２（第２の燃焼器）等からなる。空気供給系統は、フィルタ３８、コンプレッサー４０、熱交換器５０等からなる。排気系統は、排気燃焼器５８（第１の燃焼器）等からなる。駆動系統は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６８、バッテリ７０、駆動モータ７２等からなる。また、燃料電池システム１０は、システム全体の動作を制御する制御部７８（暖機制御部、第１暖機制御部、第２暖機制御部）を備えている。

上記構成要素のうち、燃料電池スタック１２、蒸発器３２、熱交換器３４、改質器３６、熱交換器５０、起動燃焼器５２、排気燃焼器５８、加熱装置６６は、断熱部材３０に収容され、外部への熱の放出を低減して、発電制御時におけるそれぞれの温度低下を抑制している。

燃料電池スタック１２は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であり、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層を、改質器３６により改質されたアノードガス（燃料ガス）が供給されるアノード電極（燃料極）と、カソードガス（酸化ガス）として酸素を含む空気が供給されるカソード電極（空気極）により挟み込んで得られるセルを積層したものである。

ここで、アノードとは、燃料電池スタック１２を構成するアノード電極のみならず、アノード電極にアノードガスを供給する燃料電池スタック１２内の通路、及びアノード電極で反応後のアノードオフガスを排出させる燃料電池スタック１２内の通路も含むものとする。同様に、カソードとは、燃料電池スタック１２を構成するカソード電極のみならず、カソード電極にカソードガスを供給する燃料電池スタック１２内の通路、及びカソード電極で反応後のカソードオフガスを排出させる燃料電池スタック１２内の通路も含むものとする。

燃料電池スタック１２では、アノードガス中に含まれる水素とカソードガス中の酸素とを反応させて発電を行うとともに、反応後に生成されるアノードオフガスとカソードオフガスを排出する。また、燃料電池スタック１２には、燃料電池スタック１２内の温度を測定する温度センサ７６Ｃが取り付けられている。

燃料電池スタック１２（マニホールド）には、燃料電池スタック１２のアノードにアノードガスを供給する経路２６Ａ、暖機時に燃焼ガスを燃料電池スタック１２のカソードに供給し発電制御時にカソードガスを燃料電池スタック１２のカソードに供給する経路４２Ａ（供給経路）、燃料電池スタック１２のアノードから排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）を排気燃焼器５８に導入する経路２６Ｃ（排出経路）、燃料電池スタック１２のカソードから排出されたカソードオフガス（酸化オフガス）を排気燃焼器５８に導入する経路４２Ｃが接続されている。また、経路２６Ｃには、遮断弁６２（流路遮断弁）が取り付けられている。遮断弁６２は、燃料電池スタック１２の発電制御時は経路２６Ｃを開放しているが、後述の燃料電池システム１０の暖機制御前及び停止制御において経路２６Ｃを閉止する。

燃料タンク２０は、例えばエタノールと水を混合させた液体からなる改質用燃料を蓄えるものであり、ポンプ２４は、改質用燃料を吸引して所定の圧力で燃料供給系に改質用燃料を供給するものである。フィルタ２２は、燃料タンク２０とポンプ２４の間に配置され、ポンプ２４に吸引される改質用燃料内のごみを除去するものである。

燃料タンク２０から改質用燃料を供給する経路２６は、蒸発器３２に改質用燃料を供給する経路２６Ａ、起動燃焼器５２に加熱用燃料（改質用燃料）を供給する経路２６Ｂに分岐する。経路２６Ａには、経路２６Ａの流路を開放・閉止可能な開閉弁２８Ａが取り付けられている。同様に、経路２６Ｂには、開閉弁２８Ｂが取り付けられている。

開閉弁２８Ｂは、燃料電池システム１０の暖機制御時に経路２６Ｂを開放して加熱用燃料を流通させ、暖機制御終了時に経路２６Ｂを閉止する。また、開閉弁２８Ａは、暖機制御時は経路２６Ａを閉止しているが、暖機制御終了時に経路２６Ａを開放して改質用燃料を流通させる。

蒸発器３２は、排気燃焼器５８から排気される排気ガスの熱を利用して改質用燃料を気化させるものである。熱交換器３４は、排気燃焼器５８から熱が供給され、気化した改質用燃料を改質器３６において改質するためにさらに加熱するものである。

改質器３６は、触媒反応により改質用燃料を、水素を包含するアノードガスに改質して燃料電池スタック１２のアノードに供給するものである。

コンプレッサー４０は、フィルタ３８を通じて外気を取り入れて空気を燃料電池スタック１２等に供給するものである。コンプレッサー４０が排出された空気を供給する経路４２には、リリーフバルブ４４が取り付けられ、経路４２内の圧力が所定値を超えると経路４２を開放してコンプレッサー４０に所定以上の負荷がかかることを回避している。また、経路４２は、空気を熱交換器５０に供給する経路４２Ａ、熱交換器５０及び起動燃焼器５２を迂回して経路４２Ａに合流する経路４２Ｂに分岐する。

経路４２Ａには、スロットル４６Ａが取り付けられ、経路４２Ｂには、スロットル４６Ｂが取り付けられ、それぞれ制御部７８の制御により空気の流量が調整できるようになっている。さらに各経路の各スロットルよりも空気の下流となる位置には、火炎をせき止める逆火防止装置４８が取り付けられている。なお、スロットル４６Ｂは、燃料電池スタック１２の暖機制御時に所定量の空気を経路４２Ａに供給させるが、暖機制御終了後は経路４２Ｂを閉止する。

熱交換器５０は、排気燃焼器５８から排出された排気ガスの熱を利用して、加熱ガス用の空気またはカソードガス用の空気を加熱するものである。

起動燃焼器５２は、燃料電池システム１０の暖機制御時において、熱交換器５０により加熱された空気と、経路２６Ｂから供給され電気ヒータ５４で加熱された加熱用燃料と、が供給され両者を混合する。そして、起動燃焼器５２に付属する着火装置により空気と加熱用燃料の混合物が着火して高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは、酸素をほとんど含んでおらず不活性ガスが主成分となっているだけでなく燃料電池スタック１２にダメージを与えるほど高温となっている。しかし、燃焼ガスは、経路４２Ｂからの空気と混合して冷却され、燃料電池スタック１２を暖機するのに適度な温度に抑制されかつ酸素を包含する加熱ガスとなる。なお、暖機制御終了後は、燃焼ガス及び加熱ガスの生成は終了し、熱交換器５０、起動燃焼器５２を通過した空気がカソードガスとして引き続き用いられ燃料電池スタック１２に供給されて発電制御に移行する。

排気燃焼器５８は、発電制御時において、経路２６Ｃから供給されたアノードオフガスと経路４２Ｃから供給されたカソードオフガスを混合してその混合ガスを触媒燃焼させ、二酸化炭素や水を主成分とする排気ガスを生成するとともに、触媒燃焼による熱を熱交換器３４等に伝達するものである。また、排気燃焼器５８は、暖機制御時において経路４２Ｃから供給された加熱ガス（酸素を含有する）を燃焼して前述同様の排気ガスを生成する。さらに、排気燃焼器５８は、燃焼後の排気ガスを排気する排気経路６４に接続され、排気経路６４が蒸発器３２、熱交換器５０を通過し、マフラー（不図示）に接続している。よって、蒸発器３２、熱交換器５０は排気ガスにより加熱される。

加熱装置６６は、排気燃焼器５８を加熱するものであり、抵抗加熱や誘導加熱等のさまざまな加熱方法を適用できる。この加熱装置６６は制御部７８により、暖機制御前に駆動し排気燃焼器５８を触媒燃焼に必要な温度にまで加熱する。

温度センサ７６Ａは、排気経路６４内を流通するガスの温度を測定するものである。このガスの温度を測定することにより排気燃焼器５８の触媒部分の温度を算出することができる。温度センサ７６Ｂは、排気燃焼器５８の特にアノードオフガスまたはカソードオフガスを導入する開口部の温度を測定するものである。これにより、排気燃焼器５８の触媒部分の温度を暖機制御前に算出することができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ６８は、燃料電池スタック１２に接続され、燃料電池スタック１２の出力電圧を昇圧してバッテリ７０または駆動モータ７２に電力を供給するものである。バッテリ７０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６８から供給された電力を充電するとともに、駆動モータ７２に電力を供給するものである。駆動モータ７２は、インバータ（不図示）を介してバッテリ７０及びＤＣ−ＤＣコンバータ６８に接続され、車両の動力源となっている。また、車両のブレーキ時において、駆動モータ７２は回生電力を発生させるが、これをバッテリ７０に充電させることができる。

バッテリ７０及び駆動モータ７２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６８を介して、燃料電池スタック１２に接続された負荷となる。一方、ポンプ２４やコンプレッサー４０等の燃料電池スタック１２を発電させるための補機も負荷として燃料電池スタック１２に接続し燃料電池スタック１２からの電力供給により駆動することができるが、バッテリ７０からの電力供給により駆動することもできる。

制御部７８は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成され、特定のプログラムを実行することにより燃料電池システム１０を制御するための処理を実行する。また制御部７８は、燃料電池システム１０を構成する構成要素の駆動・停止制御（ＯＮ・ＯＦＦ制御）を行うことができる。後述のように制御部７８が行う燃料電池システム１０の制御としては、燃料電池スタック１２を暖機する前に排気燃焼器５８を暖機する暖機前制御、燃料電池スタック１２を暖機する暖気制御、通常の発電を行う発電制御、システムを停止させる停止制御がある。なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１２とは極性が逆の起電力（アノード保護電圧）を燃料電池スタック１２に印加する回路を接続しておき、停止制御中に制御部７８が燃料電池スタック１２にアノード保護電圧を印加するように当該回路をスイッチ制御して、アノード（アノード電極）の劣化（酸化）を抑制できるようにしてもよい。

［燃料電池システムの暖機前制御の手順］
本実施形態の燃料電池システム１０の暖機前制御の手順を示すフローチャートを図２に従って説明する。

図２は、燃料電池システム１０を通常起動時（長時間使用してない状態）に暖機前制御を行う場合の手順となる。まず、システムが暖機前制御を開始すると、ステップＳ１０１において、制御部７８（暖機制御部、第１暖機制御部）は、コンプレッサー４０をＯＮにし、スロットル４６Ａ（スロットル４６Ｂでもよい）をＯＮにする。このとき、スロットル４６Ａの開度は後の暖機制御のときよりも小さく設定する。これにより、排気燃焼器５８よりも後段の排気経路６４には、排気燃焼器５８とほぼ同じ温度のガスが流れ込み、温度センサ７６Ａがこのガスの温度を測定することができる。

ステップＳ１０２において、制御部７８は加熱装置６６をＯＮにして排気燃焼器５８を加熱する。このとき、排気燃焼器５８内のガスも加熱される。ステップＳ１０３Ａにおいて、制御部７８は、温度センサ７６Ａが検知する温度により、排気燃焼器５８が触媒燃焼可能な所定温度に達しているか否かを判断し、未だ所定温度に達していないと判断した場合は加熱装置６６のＯＮを継続する。一方、所定温度に達していると判断した場合は、ステップＳ１０４において、制御部７８は加熱装置６６をＯＦＦにして暖機前制御を終了させ、次の暖機制御に移行する。このとき、コンプレッサー４０及びスロットル４６ＡはＯＮにしたままでよい。

図３は、燃料電池システム１０の停止制御終了の直後の燃料電池システム１０を再起動時に暖気前制御を行う場合の手順となる。ステップＳ１０１の後、ステップＳ１０１Ａにおいて、制御部７８は、温度センサ７６Ａが検知する温度により、排気燃焼器５８が触媒燃焼可能な所定温度を維持しているか否かを判断し、維持していると判断した場合は、そのまま暖機前制御を終了させ、次の暖機制御に移行する。一方、所定温度より低くなっていると判断した場合は、前述のステップＳ１０２、ステップＳ１０３Ａ、Ｓ１０４の順に制御を行って暖機前制御を終了させ、次の暖機制御に移行する。

図４は、暖機前制御において、アノードオフガス等を排気燃焼器５８に供給する経路２６Ｃに取り付けられた遮断弁６２を制御する場合の手順である。ステップＳ１０１を行う前において、遮断弁６２は閉となり経路２６Ｃを閉止しているものとする。ステップＳ１０１Ａにおいて、制御部７８は、温度センサ７６Ａが検知する温度により、排気燃焼器５８が触媒燃焼可能な所定温度を維持しているか否かを判断する。そして所定温度を維持していると判断した場合は、ステップＳ１０５において遮断弁６２を開にして経路２６Ｃを開放して暖機前制御を終了させ、次の暖機制御に移行する。一方、所定温度よりも低くなっていると判断した場合は、前述のステップＳ１０２、ステップＳ１０３Ａ、ステップＳ１０４、ステップＳ１０５の順に制御を行って暖機前制御を終了させ、次の暖機制御に移行する。

ここでは、排気燃焼器５８が所定温度に到達後、遮断弁６２を開にして経路２６Ｃを開放している。これにより、燃料電池スタック１２のアノードに残留していたアノードガスまたはアノードオフガスが経路２６Ｃを通じて排気燃焼器５８に到達しても経路４２Ｃから供給された空気（酸素）と混合させて燃焼させることができる。

［燃料電池システムの暖機制御の手順］
次に、燃料電池システム１０の暖機制御の手順を図５のフローチャートに従って説明する。前述のようにコンプレッサー４０はすでにＯＮになっている。図５に示すように、システムが暖機制御を開始すると、ステップＳ２０１において制御部７８（暖機制御部、第１暖機制御部）は、スロットル４６Ａ，４６Ｂを所定の開度で開放する。これにより、起動燃焼器５２に空気（燃焼用ガス）が供給され、経路４２Ｂにも空気が供給される。前述の暖機前制御の変形例のようにコンプレッサー４０をＯＮにしていない場合は、ステップＳ２０１において、コンプレッサー４０をＯＮにする。

ステップＳ２０２において、制御部７８は、ポンプ２４及び起動燃焼器５２をＯＮにするとともに開閉弁２８ＢをＯＮにして経路２６Ｂを開放する。これにより、加熱用燃料が、起動燃焼器５２に供給される。そして、起動燃焼器５２において加熱用燃料と空気が混合され、これに起動燃焼器５２が着火することにより高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスと経路４２Ｂから合流した空気が混合して加熱ガスとなって燃料電池スタック１２（カソード）に供給され、燃料電池スタック１２が暖機（加熱）される。またこの燃焼ガス及び加熱ガスにより改質器３６等が加熱される。

燃料電池スタック１２を通過した加熱ガスは排気ガスとして排気燃焼器５８、蒸発器３２、熱交換器５０を通過しこれらを加熱する。ここで、加熱ガスが加熱用燃料による未燃ガスを含有する場合、燃料電池スタック１２を通過した排気ガス（加熱ガス）は排気燃焼器５８において未燃ガス成分が燃焼される。熱交換器３４は主に排気燃焼器５８からの熱により加熱される。

ステップＳ２０３において制御部７８は、温度センサ７６Ｃが検知する温度により、燃料電池スタック１２の温度が発電に必要な作動温度に到達したか否かを判断する。

なお、蒸発器３２、熱交換器３４、改質器３６についても、改質用燃料を良好に改質するための適正な温度に到達したか否かの判断が本来必要であるが、これらが適正な温度に到達する時間が、燃料電池スタック１２の温度が作動温度に到達する時間よりも短い場合は不要である。

ステップＳ２０３において制御部７８が燃料電池スタック１２の温度が作動温度に到達したと判断した場合、ステップＳ２０４において、制御部７８は、起動燃焼器５２を停止し、スロットル４６Ｂ、開閉弁２８ＢをＯＦＦにして経路２６Ｂを閉止し、開閉弁２８ＡをＯＮにして経路２６Ａを開放する。これにより、燃料タンク２０から改質用燃料が蒸発器３２、熱交換器３４、改質器３６を経てアノードガス（燃料ガス）となり、このアノードガスが燃料電池スタック１２のアノードに供給される。一方、経路４２Ａからは引き続き空気が供給されるとともに熱交換器５０で加熱され、カソードガス（酸化ガス）として燃料電池スタック１２のカソードに供給される。そして、燃料電池スタック１２においてアノードガスとカソードガスによる電気化学反応が始まることで燃料電池スタック１２には起電力が発生し、燃料電池スタック１２は発電可能な状態となる。

ところで、発電の初期段階では燃料電池スタック１２の温度は発電を有効に行う温度には至っておらず、電気化学反応において電力に変換される成分が小さく、熱に変換される成分が支配的となっている。そこで、制御部７８（暖機制御部、第２暖機制御部）は、ステップＳ２０５において、ＤＣ−ＤＣコンバータ６８をＯＮにするとともに、バッテリ７０（負荷）の充電要求電力を調整して燃料電池スタック１２の発電量を調整しつつ燃料電池スタック１２を発電させる。燃料電池スタック１２が発電した電力はＤＣ−ＤＣコンバータ６８を介してバッテリ７０に充電される。これにより、制御部７８は、燃料電池スタック１２自身が発生する熱により、電気化学反応において電力に変換される成分を大きくできる温度にまで燃料電池スタック１２を暖機（加熱）させる。以上より、暖機制御は終了し、発電制御に移行する。

［燃料電池システムの発電制御時における動作］
次に、燃料電池システム１０の発電制御時における動作について説明する。システムの発電制御時には、まず、燃料タンク２０から供給された改質用燃料が蒸発器３２により気化し、気化した改質用燃料が熱交換器３４により加熱され、加熱された改質用燃料が改質器３６においてアノードガスに改質され、このアノードガスが燃料電池スタック１２のアノードに供給される。一方、カソードガスとしての空気が熱交換器５０により昇温され、起動燃焼器５２を通過して燃料電池スタック１２のカソードに供給される。アノードガスとカソードガスが供給された燃料電池スタック１２は、電気化学反応により発電し、バッテリ７０及び駆動モータ７２（ＤＣ−ＤＣコンバータ６８）の要求電力、さらにはポンプ２４やコンプレッサー４０等の補機の要求電力に応じて電力を供給するとともに、電気化学反応に使用されたアノードオフガスとカソードオフガスは排気燃焼器５８に導入される。そして、排気燃焼器５８は、アノードオフガス、カソードオフガスを混合した状態で燃焼して排気ガスを生成し、これが蒸発器３２及び熱交換器５０を通過して加熱する。

［燃料電池システムの停止制御の手順］
次に、燃料電池システム１０の停止制御の手順を図８のフローチャートに従って説明する。図６に示すように、システムが停止制御を開始すると、ステップＳ３０１において、制御部７８は、ポンプ２４をＯＦＦにし、開閉弁２８ＡをＯＦＦにする。これにより、アノードガスの供給が停止するので燃料電池スタック１２の発電が停止する。ステップＳ３０２にいて、制御部７８は、遮断弁６２を閉にして経路２６Ｃを閉止する。これにより、経路２６Ｃにおける酸素を含むガスの逆流を防止し、アノード（アノード電極）の劣化を抑制する。

ステップＳ３０３において、制御部７８は、スロットル４６Ａの開度を所定量高め（開度を維持したままでもよい）、カソードガスとして使用していた空気を冷却用ガスとして用い燃料電池スタック１２を内部から冷却する。

ステップＳ３０４において、制御部７８は、燃料電池スタック１２の温度を測定し、当該温度が所定温度、すなわち、アノードの劣化（酸化）が回避できる上限の温度にまで低下したか否か判断する。ステップＳ３０４において当該温度が所定温度よりも低くなった制御部７８が判断した場合、ステップＳ３０５において制御部７８はコンプレッサー４０をＯＦＦにし、スロットル４６ＡをＯＦＦにする。これにより停止制御は終了する。ステップＳ３０２において経路２６Ｃを閉止するので、燃料電池スタック１２のアノードにはアノードガスまたはアノードオフガスが残留することになるが、次の暖機制御において排気燃焼器５８で燃焼される。

［燃料電池システムの暖機前制御の手順の変形例］
図７は、図２に示す手順の変形例であり、コンプレッサー４０を用いない制御の手順を表している。システムが暖機前制御を開始すると、ステップＳ１０２において、制御部７８は加熱装置６６をＯＮにし、排気燃焼器５８を加熱する。ステップＳ１０３Ｂにおいて、制御部７８は、温度センサ７６Ｂが検知する温度により、排気燃焼器５８が触媒燃焼可能な所定温度に達しているか否かを判断し、未だ所定温度に達していないと判断した場合は加熱装置６６のＯＮを継続する。一方、所定温度に達していると判断した場合は、ステップＳ１０４において、制御部７８は加熱装置６６をＯＦＦにして暖機前制御を終了させ、次の暖機制御に移行する。暖機制御開始時にコンプレッサー４０をＯＮにする。

図８は、図３に示す手順の変形例であり、コンプレッサー４０を用いない制御の手順を表している。システムが暖機前制御を開始すると、ステップＳ１０１Ｂにおいて、制御部７８は、温度センサ７６Ｂが検知する温度により、排気燃焼器５８が触媒燃焼可能な所定温度を維持しているか否かを判断し、維持していると判断した場合は、そのまま暖機前制御を終了させ、次の暖機制御に移行する。一方、所定温度よりも低くなっていると判断した場合は、前述のステップＳ１０２、ステップＳ１０３Ｂ、ステップＳ１０４の順に制御を行って暖機前制御を終了させ、次の暖機制御に移行する。暖機制御開始時にコンプレッサー４０をＯＮにする。

［本実施形態の燃料電池システムの効果］
本実施形態の燃料電池システム１０によれば、加熱装置６６により第１の燃焼器（排気燃焼器５８）を暖機した後に燃料電池（燃料電池スタック１２）の暖機制御を実施する暖機制御部（制御部７８）を備えている。すなわち、本実施形態の燃料電池システム１０、及びその制御方法によれば、燃料電池スタック１２の排気側に接続された排気燃焼器５８を暖機したのちに燃料電池スタック１２を暖機制御している。これにより、燃料電池スタック１２の暖機制御中において、燃料電池スタック１２に残留していたアノードガスまたはアノードオフガス（残留ガス）を排気燃焼器５８で確実に燃焼させることができる。

燃料電池（燃料電池スタック１２）に酸化ガス（カソードガス）を供給する供給経路（経路４２Ａ）に配置された第２の燃焼器（起動燃焼器５２）を備え、暖機制御部（制御部７８）は、第２の燃焼器（起動燃焼器５２）により燃料電池（燃料電池スタック１２）を暖機制御する第１暖機制御部（制御部７８）を備えている。これにより、起動燃焼器５２が生成する燃焼ガスに燃料が未燃で残った未燃ガスが混入していても、すでに暖機された排気燃焼器５８により燃焼させることができる。

燃料電池（燃料電池スタック１２）に接続される負荷（バッテリ７０）を備え、暖機制御部（制御部７８）は、燃料電池（燃料電池スタック１２）から負荷（バッテリ７０）へ供給する電力を調整して、燃料電池（燃料電池スタック１２）を暖機する第２暖機制御部（制御部７８）を備えている。ここで、暖機制御部（制御部７８）は、第１暖機制御部（制御部７８）による制御を実施後に第２暖機制御部（制御部７８）による制御を実施している。これにより、燃料電池スタック１２を自身の発電に伴う発熱を利用して、燃料電池スタック１２を通常発電制御に必要な温度にまで確実に上昇させることができる。また、燃料電池システム１０の起動から発電を行うまでの間に燃料電池スタック１２を通過する残留ガス及び未燃ガスは排気燃焼器５８で確実に燃焼できるので、外部に残留ガス及び未燃ガスを放出することはない。

暖機制御部（制御部７８）は、第１の燃焼器（排気燃焼器５８）の温度に基づいて前記燃料電池（燃料電池スタック１２）の暖機制御を開始しており、第１の燃焼器（排気燃焼器５８）の温度は、第１の燃焼器（排気燃焼器５８）よりもガスの下流となる位置に配置された温度センサ７６Ａにより測定される温度に基づいて評価されている。これにより、排気燃焼器５８の温度を高精度に測定することができる。また、この場合燃料電池スタック１２のカソードに空気を流すことになるので、仮にアノードガスまたはアノードオフガスが排気燃焼器５８に流れてきても排気燃焼器５８が触媒燃焼に必要な温度に達していればこれらを燃焼させることができる。

暖機制御部（制御部７８）は、第１の燃焼器（排気燃焼器５８）の温度に基づいて前記燃料電池（燃料電池スタック１２）の暖機制御を開始しており、第１の燃焼器（排気燃焼器５８）の温度は、第１の燃焼器（排気燃焼器５８）のガスの入口に配置された温度センサ７６Ｂにより測定される。これにより、燃料電池スタック１２のカソードに空気を流すことなく排気燃焼器５８の温度を直接測定することができる。

燃料電池（燃料電池スタック１２）から排出される燃料オフガス（アノードオフガス）を第１の燃焼器（排気燃焼器５８）に供給する排出経路（経路２６Ｃ）に取り付けられた流路遮断弁（遮断弁６２）を備え、暖機制御部（制御部７８）は、第１の燃焼器（排気燃焼器５８）の暖機後に流路遮断弁（遮断弁６２）を制御して排出経路（経路２６Ｃ）を開放している。これにより、燃料電池スタック１２のアノードに残留したアノードガスまたはアノードオフガスが暖機前制御において排気燃焼器５８に流入することを防止し、かつこれらを暖機制御において確実に燃焼させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上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。

本願は、２０１５年１２月１５日に日本国特許庁に出願された特願２０１５−２４４５１６に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

特開２０１０−２７５７９号公報は、固体酸化物型の燃料電池で使用後のアノードオフガスとカソードオフガスを混合して燃焼する排気燃焼器を開示している。この排気燃焼器により燃料電池で使用後のガスを無害なガスに変化させて外部に排出している。

Claims (11)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の排気側に接続された第１の燃焼器と、
   前記第１の燃焼器を加熱する加熱装置と、
   前記加熱装置により前記第１の燃焼器を暖機した後に前記燃料電池の暖機制御を実施する暖機制御部と、備える
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池に酸化ガスを供給する供給経路に配置された第２の燃焼器を備え、
   前記暖機制御部は、前記第２の燃焼器により前記燃料電池を暖機制御する第１暖機制御部を備える
   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において、
   前記燃料電池に接続される負荷を備え、
   前記暖機制御部は、前記燃料電池から前記負荷へ供給する電力を調整して、前記燃料電池を暖機する第２暖機制御部を備える
   燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記暖機制御部は、前記第１暖機制御部による制御を実施後に前記第２暖機制御部による制御を実施する
   燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記暖機制御部は、前記第１の燃焼器の温度に基づいて前記燃料電池の暖機制御を開始する
   燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１の燃焼器の温度は、
   前記第１の燃焼器よりもガスの下流となる位置に配置された温度センサにより測定される
   燃料電池システム。
7. 請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１の燃焼器の温度は、
   前記第１の燃焼器のガスの入口に配置された温度センサにより測定される
   燃料電池システム。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記第１の燃焼器に供給する排出経路に取り付けられた流路遮断弁を備え、
   前記暖機制御部は、前記第１の燃焼器の暖機後に前記流路遮断弁を制御して前記排出経路を開放する
   燃料電池システム。
9. 燃料電池の排気側に接続された第１の燃焼器を暖機したのちに前記燃料電池を暖機制御する
   燃料電池システムの制御方法。
10. 請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記燃料電池に酸化ガスを供給する供給経路に配置した第２の燃焼器により前記燃料電池を暖機制御する
    燃料電池システムの制御方法。
11. 請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記第１の燃焼器を暖機したのちに前記燃料電池を暖機制御し、その後前記燃料電池の発電制御を開始する
    燃料電池システムの制御方法。

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