JPWO2019026174A1 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

燃料電池システムは、燃料電池と、原燃料を処理し、燃料電池の燃料ガスを生成する燃料処理部と、燃料電池の酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス加熱部と、原燃料を燃焼させ、燃料処理部および酸化剤ガス加熱部を加熱するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃料電池の暖機時に、燃料処理部および燃焼器に対する原燃料の供給を制御する制御部と、を備える。制御部は、燃料処理部がその動作可能温度にある場合に、燃料処理部および燃焼器の双方に原燃料を供給する。

Description

本発明は、燃料電池の暖機用に燃焼器を備える燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

ＪＰ２０１６−１５４０６７には、起動用燃焼器および改質器を備え、燃料電池システムの起動に際し、起動用燃焼器と改質器との間で原燃料の供給先を切り換えることが開示されている。具体的には、起動用燃焼器に改質前の燃料である原燃料を供給する第１燃料供給流路と、改質器に原燃料を供給する第２燃料供給流路と、を備え、改質器の温度が改質可能温度に満たないうちは、第１燃料供給流路を通じて起動用燃焼器に原燃料を供給する一方、改質器の温度が改質可能温度に達した後は、第２燃料供給流路を通じて改質器に原燃料を供給する（段落００３２、００３３）。

固体酸化物型燃料電池等、動作温度が高い燃料電池を備えるシステムでは、起動に際し、燃料電池の暖機のためにより大きな熱量が必要である。熱量の発生を燃焼器に依存する燃料電池システムでは、応分の燃料を燃焼器に供給する必要があるが、単に燃焼器に燃料を供給し、燃焼により生じた熱量を燃料電池に付与するだけでは、燃料の消費を適切に抑制することはできず、効率的なシステムの構築も望めない。

ＪＰ２０１６−１５４０６７には、起動用燃焼器以外に改質器を用いることが開示されているが、暖機のための熱源として起動用燃焼器か改質器かを択一的に選択することから、燃料流量の増大により充分な熱量を得ようとすると、起動用燃焼器ばかりでなく、改質器についても起動時の燃料流量を前提とした設計が必要となる。このことは、起動のために特別な設計が求められることを意味し、システム全体の効率を高めるうえで不利となる。

本発明は、以上の問題を考慮した燃料電池システムおよ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。

本発明は、一形態において、燃料電池と、原燃料を処理し、燃料電池の燃料ガスを生成する燃料処理部と、燃料電池の酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス加熱部と、原燃料を燃焼させ、燃料処理部および酸化剤ガス加熱部を加熱するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃料電池の暖機時に、燃料処理部および燃焼器に対する原燃料の供給を制御する制御部と、を備える燃料電池システムを提供する。本形態において、制御部は、燃料処理部がその動作可能温度にある場合に、燃料処理部および燃焼器の双方に原燃料を供給する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を概念的に示す説明図である。 図２は、同上実施形態に係る燃料電池システムの具体例を示す構成図である。 図３は、同上実施形態に係る燃料電池システムの起動制御の流れを示すフローチャートである。 図４は、同上起動制御の動作説明図（ＰＲＤ１）である。 図５は、同上起動制御の動作説明図（ＰＲＤ２）である。 図６は、同上起動制御の動作説明図（ＰＲＤ３）である。 図７は、同上起動制御における燃焼器温度Ｔ_cmb、改質器温度Ｔ_ref、スタック温度Ｔ_stkおよび燃料流量ｍ_fuelの変化を示すタイムチャートである。

以下、図面を参照して、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全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムＳの構成を概念的に示している。

本実施形態に係る燃料電池システム（以下「燃料電池システム」といい、単に「システム」という場合がある）Ｓは、燃料電池スタック１と、燃料処理部２と、酸化剤ガス加熱部３と、燃焼器４と、制御部５と、を備える。

燃料電池スタック（以下、単に「スタック」という場合がある）１は、複数の燃料電池または燃料電池単位セルを積層して構成され、発電源である個々の燃料電池は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池スタック１は、アノード系において、燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給するためのアノードガス通路１１と、アノード極から排出される発電反応後のアノードオフガスを流すためのアノードオフガス通路１１ｅｘｈ（図１において、図示せず）と、を備える一方、カソード系において、燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給するためのカソードガス通路１２と、カソード極から排出される発電反応後のカソードオフガスを流すためのカソードオフガス通路１２ｅｘｈ（図示せず）と、を備える。

燃料処理部２は、一次燃料である原燃料を処理し、燃料電池での発電反応に用いられる燃料ガスに変換するためのものである。燃料処理部２は、アノードガス通路１１に介装され、原燃料の供給を受ける（矢印Ａ１）。

酸化剤ガス加熱部３は、酸化剤ガスを加熱するためのものである。酸化剤ガス加熱部３は、カソードガス通路１２に介装され、酸化剤ガスの供給を受ける（矢印Ｂ）。酸化剤ガスは、例えば、空気であり、大気中の空気を燃料電池のカソード極に供給することにより、発電反応に用いられる酸素をカソード極に供給することが可能である。大気からカソードガス通路１２への酸化剤ガスないし空気の吸入は、例えば、カソードガス通路１２の開放端付近に設置されたエアコンプレッサまたはブロア等の空気吸入手段６による。

ここで、固体酸化物型燃料電池のアノード極およびカソード極での発電に係る反応は、次式により表すことができる。

アノード極： ２Ｈ₂＋４Ｏ^2- → ２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^- …（１．１）
カソード極： Ｏ₂＋４ｅ^- → ２Ｏ^2- …（１．２）
燃焼器４は、燃料電池の原燃料を燃焼させ、燃焼ガスを生成する。燃焼器４は、原燃料の供給を受けるとともに（矢印Ａ２）、原燃料の酸化剤の供給を受ける（矢印Ｃ）。燃焼ガスが有する熱量は、燃料処理部２および酸化剤ガス加熱部３に供給され、原燃料および酸化剤ガスの加熱に用いられる。図１は、燃焼器４から燃料処理部２および酸化剤ガス加熱部３への熱量の移動を、太い点線により示している。

制御部５は、燃料処理部２および燃焼器４に対する原燃料の供給を制御するものであり、電子制御ユニットを含んで構成することが可能である。本実施形態において、制御部５は、電子制御ユニットとして構成されたコントローラ５１と、燃料処理部２に原燃料を供給するための主燃料供給ユニット５２と、燃焼器４に原燃料を供給するための副燃料供給ユニット５３と、を備える。燃料供給ユニット５２および５３は、いずれもインジェクタであってよく、本実施形態では、主燃料供給ユニット５２として第１燃料インジェクタを備え、副燃料供給ユニット５３として第２燃料インジェクタを備える。第１燃料インジェクタ５２および第２燃料インジェクタ５３は、コントローラ５１からの指令信号に応じて作動し、燃料処理部２および燃焼器４に対して原燃料を連続的または間欠的に供給可能に構成することができる。

そして、コントローラ５１は、燃料電池システムＳの起動に際し、燃料処理部２が原燃料の処理が可能な状態にあるか否かを判定する。この判定は、例えば、燃料電池スタックＳの温度をもとに行うことが可能である。コントローラ５１は、燃料処理部２が原燃料の処理が可能な状態にある場合に、第１燃料インジェクタ５２を通じて燃料処理部２に原燃料を供給するとともに、第２燃料インジェクタ５３を通じて燃焼器４に原燃料を供給する。これにより、燃焼器４により生成された燃焼ガスを熱源として、燃料処理部２の原燃料を加熱し、原燃料の処理を促すとともに、酸化剤ガス加熱部３の酸化剤ガスを加熱し、燃料電池スタック１の暖機を促進する。

図２は、燃料電池システムＳの具体的な構成を示している。

燃料電池システムＳは、発電源として固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を備え、車上に搭載可能な燃料タンク７を備える。本実施形態において、一次燃料である原燃料は、含酸素燃料（例えば、エタノール）と水との混合物であり、燃料タンク７に貯蔵されている。燃料タンク７と燃料電池スタック１とが、アノードガス通路１１を介して接続され、アノードガス通路１１には、流れの方向に関して上流側から順に、蒸発器２１、燃料熱交換器２２および改質器２３が介装されている。他方で、蒸発器２１の上流側でアノードガス通路１１から分岐燃料通路１１ｓｕｂが分岐し、分岐燃料通路１１ｓｕｂは、燃焼器４１に接続されている。分岐燃料通路１１ｓｕｂの分岐点と蒸発器２１との間のアノードガス通路１１に第１燃料インジェクタ５２が介装され、分岐燃料通路１１ｓｕｂに第２燃料インジェクタ５３が介装されている。これにより、アノードガス通路１１と分岐燃料通路１１ｓｕｂとの間で原燃料の流通を切り換えることが可能であり、他方で、これらの通路１１、１１ｓｕｂの双方を介して原燃料を流すことも可能である。蒸発器２１、燃料熱交換器２２および改質器２３は、本実施形態に係る「燃料処理部」を構成する。

蒸発器２１は、燃料タンク７から原燃料であるエタノール水溶液の供給を受け、これを加熱して、液体のエタノールと水とをいずれも蒸発させ、エタノールガスおよび水蒸気を生成する。

燃料熱交換器２２は、後に述べるように、燃焼器４１から燃焼ガスが有する熱量を受け、エタノールガスおよび水蒸気を加熱する。

改質器２３は、改質用触媒を内蔵し、気体の状態にあるエタノールから、水蒸気改質により水素を生成する。水蒸気改質は、次式により表すことができる。水蒸気改質は、吸熱反応であり、改質に際して外部から熱量を供給する必要がある。本実施形態では、後に述べるように、改質中も燃焼器４１でアノードオフガス中の残燃料を燃焼させ、燃焼ガスの熱量を改質器２３に供給する。本実施形態において、燃料電池の燃料ガスは、エタノールの改質により生じた水素と二酸化炭素との混合ガスである。

Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ＋３Ｈ₂Ｏ → ６Ｈ₂＋２ＣＯ₂ …（２）
酸化剤ガス加熱部３は、空気熱交換器３１により構成され、燃焼器４１から燃焼ガス通路４２を通じて供給される燃焼ガスとの熱交換により、カソードガス通路１２を流れる酸化剤ガスを加熱する。本実施形態では、カソードガス通路１２の開放端付近にエアコンプレッサ６１が設置され、酸化剤ガスとして大気中の空気が、エアコンプレッサ６１を通じてカソードガス通路１２に吸入される。吸入された空気は、空気熱交換器３１を通過する際に常温（例えば、２５℃）から昇温され、燃料電池スタック１に供給される。

燃焼器４１は、燃焼用触媒を内蔵し、分岐燃料通路１１ｓｕｂを通じて原燃料であるエタノール水溶液の供給を受け、エタノールの触媒燃焼により燃焼ガスを生成する。本実施形態では、燃焼器４１と蒸発器２１とが燃焼ガス通路４２を介して接続され、燃焼ガスにより蒸発器２１のシェルないしケースを加熱する。他方で、燃料熱交換器２２および改質器２３が燃焼器４１と共用のケースに収容され（二点鎖線Ｌにより示す）、燃焼ガスの熱量がこの共用のケースＬの内部で燃料熱交換器２２および改質器２３に伝わるように構成されている。

本実施形態において、燃焼器４１は、燃料電池スタック１から延びるアノードオフガス通路１１ｅｘｈおよびカソードオフガス通路１２ｅｘｈの双方と接続されており、燃料電池システムＳの起動に際し、カソードオフガス通路１２ｅｘｈを介して燃焼器４１に酸化剤ガスを供給することが可能である。さらに、原燃料の改質に際し、燃焼器４１にアノードオフガスおよびカソードオフガスを供給し、アノードオフガス中の残燃料（エタノール）をカソードオフガスに残存する酸素と触媒上で反応させ、生じた熱量により、蒸発器２１、燃料熱交換器２２および改質器２３を加熱することが可能である。

燃料電池スタック１の発電電力は、バッテリを充電したり、電動モータまたはモータジェネレータ等の外部装置を駆動したりするのに用いることが可能である。例えば、燃料電池システムＳは、車両用の駆動システムに適用することが可能であり、燃料電池スタック１の定格運転により生じた電力をバッテリに充電し、車両の目標駆動力に応じた電力をバッテリから走行用のモータジェネレータに供給する。

（制御システムの構成）
第１燃料インジェクタ５２、第２燃料インジェクタ５３およびエアコンプレッサ６１、その他、燃料電池システムＳの運転に要する各種装置ないし部品の動作は、コントローラ５１により制御される。本実施形態において、コントローラ５１は、中央演算回路、ＲＯＭおよびＲＡＭ等の各種記憶装置、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る。

コントローラ５１は、通常の運転時（以下、単に「通常時」という場合がある）において、燃料電池スタック１の定格運転に要する原燃料の供給流量（以下「通常時供給流量」という）を設定し、通常時供給流量の原燃料を、第１燃料インジェクタ５２を通じて燃料電池スタック１に供給する。ここで、通常時とは、燃料電池スタック１の暖機が完了した後の運転時をいい、燃料電池スタック１の定格運転とは、燃料電池スタック１の最大発電出力での運転をいう。

他方で、コントローラ５１は、起動スイッチ１０５から燃料電池システムＳの起動要求を入力すると、燃料電池スタック１の暖機を行う起動制御を実行する。燃料電池スタック１の暖機とは、停止中に低温（例えば、常温）にあった燃料電池スタック１を、その動作温度にまで昇温させることをいう。固体酸化物型燃料電池の動作温度は、８００〜１０００℃程度であり、起動制御により、燃料電池スタック１ないし燃料電池の温度を６００〜７００℃にまで上昇させる。

コントローラ５１は、起動制御に関わる情報として、スタック温度Ｔ_stkを検出するスタック温度センサ１０１からの信号、空気流量ｍ_airを検出する空気流量センサ１０２からの信号、蒸発器温度Ｔ_vapを検出する蒸発器温度センサ１０３からの信号、改質器温度Ｔ_refを検出する改質器温度センサ１０３からの信号等を入力する。

スタック温度Ｔ_stkは、燃料電池スタック１または燃料電池の温度を示す指標であり、本実施形態では、燃料電池スタック１のカソードオフガス出口付近にスタック温度センサ１０１を設置し、スタック温度センサ１０１により検出された温度をもってスタック温度Ｔ_stkとする。

空気流量ｍ_airは、燃料電池スタック１に供給される酸化剤ガスの流量である。本実施形態では、カソードガス通路１２、具体的には、エアコンプレッサ６１と空気熱交換器３１との間に空気流量センサ１０２を設置し、空気流量センサ１０２により検出された流量をもって空気流量ｍ_airとする。

蒸発器温度Ｔ_vapは、蒸発器２１の温度である。本実施形態では、蒸発器２１の下流側の燃焼ガス通路４１に蒸発器温度センサ１０３を設置し、蒸発器温度センサ１０３により検出された温度、換言すれば、蒸発器２１の加熱に付した後の燃焼ガスの温度をもって燃焼器温度Ｔ_vapとする。

改質器温度Ｔ_refは、改質器２３の温度である。本実施形態では、改質器２３の下流側のアノードガス通路１１に改質器温度センサ１０４を設置し、改質器温度センサ１０４により検出された温度、換言すれば、改質により生じた燃料ガスの温度をもって改質器温度Ｔ_refとする。

燃料電池システムＳの起動制御について、以下にフローチャートを参照して具体的に説明する。

（起動制御の説明）
図３は、本実施形態に係る燃料電池システムＳの起動制御の流れを示すフローチャートである。

コントローラ５１は、運転者による起動スイッチ１０５の操作に基づき、起動スイッチ１０５から起動要求信号を入力すると、図３に示すフローチャートに従って燃料電池システムＳの起動制御を実行する。本実施形態において、コントローラ５１は、起動制御を起動要求信号の入力をもって開始し、燃料電池スタック１ないし燃料電池の暖機が完了したことをもって終了する。

Ｓ１０１では、エアコンプレッサ６１を作動させる。これにより、大気中の空気がカソードガス通路１２に吸入され、空気熱交換器３１を介して燃料電池スタック１のカソード極に供給される。

Ｓ１０２では、起動制御に関わる情報として、スタック温度Ｔ_stk、空気流量ｍ_air、蒸発器温度Ｔ_vapおよび改質器温度Ｔ_refを読み込む。

Ｓ１０３では、燃焼器４１の目標温度（以下「目標燃焼器温度」という）Ｔ_{cmb_trg}を算出する。目標燃焼器温度Ｔ_{cmb_trg}は、燃焼器４１により生成される燃焼ガスの目標温度であり、本実施形態では、燃料電池スタック１の実際の温度をもとに算出する。具体的には、燃料電池スタック１への流入が許容される酸化剤ガスの最高温度を与える燃焼ガスの目標温度として、次式により、燃料電池スタック１のカソードオフガス出口付近の温度であるスタック温度Ｔ_stkに、温度差ΔＴ_stkおよびΔＴ_ahxを加算した温度として算出する。ここで、温度差ΔＴ_stkおよびΔＴ_ahxの一方は、燃料電池スタック１の酸化剤ガス入口部とカソードオフガス出口部との間の温度差ΔＴ_stkであり、他方は、空気熱交換器３１の燃焼ガス入口部と酸化剤ガス出口部との間の温度差ΔＴ_ahxである。温度差ΔＴ_stkは、燃料電池に対する熱負荷の観点から許容される温度差（例えば、３００℃）であり、温度差ΔＴ_ahxは、燃料電池スタック１の定格運転時に空気熱交換器３１で与えられる温度差（例えば、１５０℃）である。

Ｔ_{cmb_trg}＝Ｔ_stk＋ΔＴ_stk＋ΔＴ_ahx …（３）
Ｓ１０４では、燃料電池スタック１の暖機に際し、システム全体に対して供給される原燃料の流量（以下「原燃料総流量」という）ｍ_{fuel_ttl}を算出する。本実施形態において、原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}は、モル比換算の値であり、その算出は、次式による。次式は、燃焼器４１に供給される原燃料および酸化剤ガスと、燃焼器４１から排出される燃焼ガスとで、輸送熱量が均衡することを表すものである。

ｍ_{fuel_ttl}＝Ａ／Ｂ …（４．１）
Ａ＝ｍ_air×｛ｈ_air（Ｔ_cmb）−ｈ_air（Ｔ_stk）｝−Ｑ_rec …（４．２）
Ｂ＝（１／５）×ｈ_c2h5oh（Ｔ_fuel）＋（４／５）×ｈ_{h2o_l}（Ｔ_fuel）−（２／５）×ｈ_co2（Ｔ_cmb）−（７／５）×ｈ_h2o（Ｔ_cmb）＋（３／５）×ｈ_o2（Ｔ_cmb） …（４．３）
ここで、エタノール水溶液を原燃料とし、エタノール水溶液におけるエタノールと水との混合比は、モル比換算で１：４とする。さらに、原燃料の温度は、２５℃とする（Ｔ_fuel＝２５）。

上式（４．１）〜（４．３）における変数を夫々示すと、次のようである。

ｍ_{fuel_ttl}：燃料電池スタックの暖機時における原燃料の総モル流量
ｍ_air：空気のモル流量
Ｑ_rec：燃料電池スタックに定格流量の原燃料を供給した場合の排熱回収量
Ｔ_stk：燃料電池スタックの温度
Ｔ_cmb：燃焼器の温度
Ｔ_fuel：原燃料の温度
ｈ_air（Ｔ）：空気のエンタルピ
ｈ_c2h5oh（Ｔ）：エタノールのエンタルピ
ｈ_{h2o_l}（Ｔ）：水（液体）のエンタルピ
ｈ_co2（Ｔ）：二酸化炭素のエンタルピ
ｈ_h2o（Ｔ）：水（気体）のエンタルピ
ｈ_o2（Ｔ）：酸素のエンタルピ
ただし、任意の温度をＴとする。

本実施形態において、温度Ｔ_stkには、スタック温度センサ１０１により検出されるスタック温度Ｔ_stkを代入し、温度Ｔ_cmbには、目標燃焼器温度Ｔ_{cmb_trg}を代入し、温度Ｔ_fuelには、常温である２５℃を代入する。定格流量とは、燃料電池スタック１の最大発電出力での運転に必要な燃料流量をいう。

排熱回収量Ｑ_recは、一定値として予め設定しておくことが可能である。ただし、後に述べるように、燃料電池スタック１の温度Ｔ_stkが上昇し、原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}が減少すると、これに応じて排熱回収量Ｑ_recも減少する。よって、原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}が定格流量ｍ_rtdよりも少ない場合は、定格流量ｍ_rtdに対する減少量に応じて分だけ排熱回収量Ｑ_recを減少させるのが好ましい。

さらに、燃焼器の温度Ｔ_cmbは、その最大値Ｔ_{cmb_max}を燃料電池スタック１の上限温度（以下「スタック上限温度」という）に制限する。例えば、スタック上限温度が８００℃である場合に、目標燃焼器温度Ｔ_{cmb_trg}が８００℃以下であれば、温度Ｔ_cmbに目標燃焼器温度Ｔ_{cmb_trg}を代入する。他方で、目標燃焼器温度Ｔ_{cmb_trg}が８００℃を超えていれば、温度Ｔ_cmbにスタック上限温度である８００℃を代入する。これにより、燃料電池スタック１の温度がスタック上限温度を超えて上昇することが回避される。

Ｓ１０５では、改質器２３が原燃料を改質可能な状態にあるか否かを判定する。具体的には、改質器温度Ｔ_refが改質器２３の改質可能な下限温度（以下「改質器下限温度」という）Ｔ_{ref_min}以上であるか否かを判定する。改質器温度Ｔ_refが改質器下限温度Ｔ_{ref_min}以上である場合は、Ｓ１０６へ進み、改質器下限温度Ｔ_{ref_min}未満である場合は、Ｓ１０７へ進む。改質器下限温度Ｔ_{ref_min}は、例えば、７００℃である。

Ｓ１０６では、原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}が燃料電池スタック１の定格流量ｍ_rtdよりも大きいか否かを判定する。原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}が定格流量ｍ_rtdよりも大きい場合は、Ｓ１０８へ進み、定格流量ｍ_rtd以下である場合は、Ｓ１０９へ進む。

Ｓ１０７では、改質器２３が原燃料を改質可能な状態にないとして、第１燃料インジェクタ５２を停止させ、原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}の原燃料を、第２燃料インジェクタ５３を通じて燃焼器４１に供給する。第１燃料インジェクタ５２の原燃料噴射量Ｑｆｍおよび第２燃料インジェクタ５３の原燃料噴射量Ｑｆｓは、夫々次のようである。

Ｑｆｍ＝０ …（５．１）
Ｑｆｓ＝ｍ_{fuel_ttl} …（５．２）
Ｓ１０８および１０９では、改質器２３が原燃料を改質可能な状態にあるとして、改質器２３に原燃料を供給する。

Ｓ１０８では、第１燃料インジェクタ５２および第２燃料インジェクタ５３を作動させ、改質器２３および燃焼器４１の双方に原燃料を供給する。具体的には、定格流量ｍ_rtdの原燃料を、第１燃料インジェクタ５２を通じて蒸発器２１およびその下流側の燃料熱交換器２２、改質器２３に供給するとともに、定格流量ｍ_rtdの原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}に対する不足分の原燃料を、第２燃料インジェクタ５３を通じて燃焼器４１に供給する。第１および第２燃料インジェクタ５２、５３の原燃料噴射量Ｑｆｍ、Ｑｆｓは、次のようである。

Ｑｆｍ＝ｍ_rtd …（６．１）
Ｑｆｓ＝ｍ_{fuel_ttl}−ｍ_rtd …（６．２）
Ｓ１０９では、第２燃料インジェクタ５３を停止させ、原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}の原燃料を、第１燃料インジェクタ５２を通じて蒸発器２１、燃料熱交換器２２および改質器２３に供給する。第１および第２燃料インジェクタ５２、５３の原燃料噴射量Ｑｆｍ、Ｑｆｓは、次のようである。

Ｑｆｍ＝ｍ_{fuel_ttl} …（７．１）
Ｑｆｓ＝０ …（７．２）
Ｓ１１０では、燃料電池スタック１の暖機が完了したか否かを判定する。具体的には、スタック温度Ｔ_stkが暖機完了を判定するための所定温度Ｔ_wupに達したか否かを判定する。スタック温度Ｔ_stkが所定温度Ｔ_wupに達した場合は、燃料電池スタック１の暖機が完了したとして、起動制御を終了し、通常時の制御に移行する。通常時では、燃料電池スタック１を定格出力で運転する。所定温度Ｔ_wupに達していない場合は、Ｓ１０２へ戻り、エアコンプレッサ６１を引き続き作動させる一方、Ｓ１０２〜１１０の処理を繰り返し実行する。

本実施形態では、コントローラ５１、第１燃料インジェクタ５２および第２燃料インジェクタ５３が燃料電池システムＳの「制御部」を構成する。そして、図３に示すＳ１０２の処理（スタック温度Ｔ_stkの読み込み）により「温度検出部」の機能が実現され、Ｓ１０３および１０４の処理により「暖機時目標流量設定部」の機能が実現され、Ｓ１０５〜１０９の処理により「燃料供給制御部」の機能が実現される。原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}は、本実施形態に係る「暖機時目標流量」に相当し、スタック温度Ｔ_stkは、本実施形態に係る「燃料電池の出口温度」に相当する。

さらに、図３に示すＳ１０２の処理（空気流量ｍ_airの読み込み）により「酸化剤ガス流量検出部」の機能が実現され、Ｓ１０３の処理により「目標燃焼ガス温度設定部」の機能が実現される。空気流量ｍ_airは、本実施形態に係る「酸化剤ガス流量」に相当し、目標燃焼器温度Ｔ_{cmb_trg}は、本実施形態に係る「目標燃焼ガス温度」に相当する。

本実施形態では、改質器２３が原燃料を改質可能な状態にあるか否かを判定し、改質器温度Ｔ_refが改質器下限温度Ｔ_{ref_min}以上である場合に、原燃料の改質が可能であるとして、第１燃料インジェクタ５２を通じた改質器２３への原燃料の供給を許容し、改質器下限温度Ｔ_{ref_min}未満であるうちは、改質器２３への原燃料の供給を禁止し、第２燃料インジェクタ５３を通じて燃焼器４１に原燃料を供給することとした。

これに限らず、改質器２３に加えまたは改質器２３に代えて、蒸発器２１が原燃料を蒸発可能な状態にあるか否かを判定し、例えば、燃料処理部２として蒸発器２１を備え、発電に用いることのできる水素への変換を燃料電池の内部改質による場合に、蒸発器温度Ｔ_vapが蒸発器２１の蒸発可能な下限温度（以下「蒸発器下限温度」という）Ｔ_{vap_min}以上であるか否かを判定するようにしてもよい。そして、蒸発器温度Ｔ_vapが蒸発器下限温度Ｔ_{vap_min}以上である場合に、第１燃料インジェクタ５２を通じた蒸発器２１への原燃料の供給を許容し、蒸発器下限温度Ｔ_{vap_min}未満であるうちは、蒸発器２１への原燃料の供給を禁止し、第２燃料インジェクタ５３を通じて燃焼器４１に原燃料を供給する。この場合は、蒸発により生じた原燃料のガス（例えば、エタノールガスおよび水蒸気の混合ガス）が、燃料処理部２により生成される「燃料ガス」となる。

さらに、本実施形態では、燃焼器４１を燃料電池スタック１のカソードオフガス通路１２ｅｘｈと接続することにより、燃焼器４１に対して触媒燃焼のための酸化剤が供給されるように構成した。

これに限らず、燃焼器４１をカソードガス通路１２と接続することで、燃料電池スタック１を介さず、エアコンプレッサ６１から燃焼器４１に酸化剤ガスが直接供給されるように構成してもよく、燃焼器４１に酸化剤を供給するための手段をカソードガス給排系とは独立に設けるようにしてもよい。

（燃料電池システムの動作説明）
図４〜６は、燃料電池システムＳの起動時における動作を示している。

図４は、改質器温度Ｔ_refが改質器下限温度Ｔ_{ref_min}未満である場合の動作を示し、図５および６は、改質器温度Ｔ_refが改質器下限温度Ｔ_{ref_min}以上である場合の動作を示している。図５は、原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}が定格流量ｍ_rtdよりも大きい場合を、図６は、原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}が定格流量ｍ_rtd以下である場合を示している。図４〜６において、実際にガスが流通している通路を太い実線により、ガスの流通が停止している通路を細い点線により示している。

図７は、燃料電池システムＳの起動時における燃焼器温度Ｔ_cmb、改質器温度Ｔ_ref、スタック温度Ｔ_stkおよび燃料流量Ｑｆの変化を示している。燃料流量Ｑｆｍは、第１燃料インジェクタ５２を通じて供給される原燃料の流量であり、燃料流量Ｑｆｓは、第２燃料インジェクタ５３を通じて供給される原燃料の流量である。図７において、期間ＰＲＤ１は、改質器温度Ｔ_refが改質器下限温度Ｔ_{ref_min}未満である期間を示し、期間ＰＲＤ２およびＰＲＤ３は、改質器温度Ｔ_refが改質器下限温度Ｔ_{ref_min}以上である期間を示している。期間ＰＲＤ２は、原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}（＝Ｑｆｍ＋Ｑｆｓ）が定格流量ｍ_rtdよりも大きい場合を、期間ＰＤＲ３は、原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}が定格流量ｍ_rtd以下である場合を示している。図７下段のタイムチャートにおいて、第１燃料インジェクタ５２の原燃料噴射量Ｑｆｍを二点鎖線により、第２燃料インジェクタ５３の原燃料噴射量Ｑｆｓを実線により示している。

図７を適宜に参照しつつ、本実施形態に係る起動制御について説明する。

起動制御の開始後、改質器温度Ｔ_refが改質器下限温度Ｔ_{ref_min}未満である期間ＰＲＤ１では、第１燃料インジェクタ５２を通じた原燃料の供給を停止させ、燃料電池スタック１の暖機に要する原燃料を、第２燃料インジェクタ５３を通じて燃焼器４１に供給する（図４）。原燃料の燃焼により生じた熱量により燃料熱交換器２２および改質器２３を加熱するとともに、燃焼ガスを、燃焼ガス通路４２を介して空気熱交換器３１および蒸発器２１に供給する。エアコンプレッサ６１によりカソードガス通路１２に取り込まれた空気を空気熱交換器３１で燃焼ガスとの熱交換により加熱し、加熱後の空気を燃料電池スタック１に供給することで、燃料電池スタック１を加熱する。これにより、燃料電池スタック１の暖機が進行し、スタック温度Ｔ_stkが上昇する（図７）。

改質器温度Ｔ_refが改質器下限温度Ｔ_{ref_min}に達すると（時刻ｔ１）、第１燃料インジェクタ５２を通じた原燃料の供給を開始する（図５）。スタック温度Ｔ_stkに応じた原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}が定格流量ｍ_rtdよりも大きい期間ＰＲＤ２（図７）では、定格流量ｍ_rtdの原燃料を、第１燃料インジェクタ５２を通じて改質器２３に供給する一方、定格流量ｍ_rtdの原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}に対する不足分（＝ｍ_{fuel_ttl}−ｍ_rtd）の原燃料を、第２燃料インジェクタ５３を通じて燃焼器４１に供給する。これにより、燃料電池スタック１を定格出力で運転し、発電により燃料電池スタック１を加熱するとともに、燃焼器４１により生成された燃焼ガスを空気熱交換器３１に供給し、燃焼ガスとの熱交換により加熱された空気を燃料電池スタック１に供給して、暖機を促進する。

そして、改質器温度Ｔ_refがさらに上昇し、スタック温度Ｔ_stkに応じた原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}が定格流量ｍ_rtdを下回ると（時刻ｔ２）、第２燃料インジェクタ５３を通じた原燃料の供給を停止させ、原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}の原燃料を、第１燃料インジェクタ５２を通じて改質器２３に供給する（図７、期間ＰＲＤ３）。これにより、燃料電池スタック１の発電を継続させ、燃料電池スタック１を加熱する一方、アノードオフガス中の残燃料を燃焼器４１で燃焼させ、改質器２３に対して改質に必要な熱量を供給するとともに、残燃料の燃焼ガスを空気熱交換器３１および蒸発器２１に供給し、システム全体を運転に必要な温度に維持する。スタック温度Ｔ_stkの上昇により原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}が減少すると、第１燃料インジェクタ５２の原燃料噴射量Ｑｆｍも減少する。そして、スタック温度Ｔ_stkが暖機完了の判定温度Ｔ_wupに達すると、燃料電池スタック１の暖機が完了したとして、起動制御を終了し、通常時の制御に移行する。

（作用効果の説明）
本実施形態に係る燃料電池システムＳは、以上のように構成され、本実施形態により得られる作用および効果について、以下に説明する。

第１に、燃料電池システムＳの起動に際し、燃料電池システムＳが燃料処理部２による原燃料の処理が可能な状態にあるか否か、具体的には、改質器２３が原燃料の改質が可能な温度（改質器下限温度Ｔ_{ref_min}以上の温度）にあるか否かを判定し、改質器２３が改質可能温度にある場合に、改質器２３および燃焼器４１の双方に原燃料を供給することとした。これにより、起動に際し、原燃料の改質により生じた燃料ガスを燃料電池スタック１に供給して、燃料電池スタック１を発電させ、発電により燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。これに併せ、燃焼器４１により生成された燃焼ガスを空気熱交換器３１に供給し、空気熱交換器３１により酸化剤ガスを加熱することで、酸化剤ガスが有する熱量により燃料電池スタック１を加熱することができる。このように、本実施形態によれば、燃料電池スタック１の急速な加熱が可能であり、燃料電池スタック１の暖機を促進し、燃料電池システムＳの迅速な起動を実現することができる。

さらに、本実施形態では、燃料電池スタック１の暖機に要する流量（原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}）の原燃料を改質器２３および燃焼器４１に振り分けることで、起動のための特別な設計が不要となり、効率的なシステムの構築が可能となる。さらに、原燃料の燃焼により生じた熱量を改質器２３および空気熱交換器３１で回収する構成としたことで、システム全体での効率的な運転を実現し、原燃料の消費を抑制することができる。

ここで、燃料電池スタック１の定格運転に要する供給流量（定格流量ｍ_rtd）の原燃料を改質器２３に供給する一方、定格流量ｍ_rtdの原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}に対する不足分の原燃料を燃焼器４１に供給することで、発電による暖機を促しながら、原燃料の燃焼により生じた熱量の積極的な回収を図り、システム全体での効率を向上させることができる。

第２に、燃料電池の温度、具体的には、燃料電池スタック１のカソードオフガス出口付近の温度を検出し、これに基づき燃料電池スタック１の暖機時における原燃料の目標流量（原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}）を設定することとした。これにより、燃料電池スタック１の暖機に際して原燃料を適切な流量で供給し、暖機の促進を図りながら、原燃料の消費を抑制することが可能となる。そして、原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}の算出に際し、カソードオフガス出口付近の温度（スタック温度Ｔ_stk）を検出することで、暖機の過程における燃料電池スタック１の状態を的確に把握することが可能となる。

さらに、燃焼器４１により生成される燃焼ガスの目標温度（目標燃焼器温度Ｔ_{cmb_trg}）を設定し、燃料電池スタック１に対する酸化剤ガスの供給流量（空気流量ｍ_air）、スタック温度Ｔ_stkおよび目標燃焼器温度Ｔ_{cmb_trg}に基づき原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}を設定することで、原燃料総流量ｍ_{fuel_ttl}を設定するための具体的な手段を提供することができる。ここで、目標燃焼器温度Ｔ_{cmb_trg}をスタック温度Ｔ_stkに基づき設定することで、目標燃焼器温度Ｔ_{cmb_trg}の設定におけるコントローラ５１の演算負荷を軽減することが可能となる。

第３に、燃焼器４１を燃料電池スタック１のオフガス通路（アノードオフガス通路１１ｅｘｈ、カソードオフガス通路１２ｅｘｈ）と接続することで、燃焼器４１に触媒燃焼のための酸化剤を供給する特別な手段を別途設けることが不要となり、燃料電池システムＳの構成を簡素化することが可能となる。さらに、アノードオフガス中の残燃料を燃焼器４で燃焼させ、改質器２３に対して改質に要する熱量を供給することができる。

第４に、燃料電池システムＳが燃料処理部２による原燃料の処理が可能な状態にない場合、具体的には、改質器２３が改質可能温度にない場合に、改質器２３および燃焼器４１のうち、燃焼器４１のみに原燃料を供給することで、酸化剤ガスの加熱により燃料電池スタック１の暖機を図りながら、燃料処理部２（改質器２３）を燃焼ガスにより加熱し、早期に原燃料の処理が可能な状態にすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更および修正が可能である。

コントローラ５１は、起動制御に関わる情報として、スタック温度Ｔ_stkを検出するスタック温度センサ１０１からの信号、空気流量ｍ_airを検出する空気流量センサ１０２からの信号、蒸発器温度Ｔ_vapを検出する蒸発器温度センサ１０３からの信号、改質器温度Ｔ_refを検出する改質器温度センサ１０４からの信号等を入力する。

蒸発器温度Ｔ_vapは、蒸発器２１の温度である。本実施形態では、蒸発器２１の下流側の燃焼ガス通路４２に蒸発器温度センサ１０３を設置し、蒸発器温度センサ１０３により検出された温度、換言すれば、蒸発器２１の加熱に付した後の燃焼ガスの温度をもって燃焼器温度Ｔ_vapとする。

図７は、燃料電池システムＳの起動時における燃焼器温度Ｔ_cmb、改質器温度Ｔ_ref、スタック温度Ｔ_stkおよび燃料流量Ｑｆの変化を示している。燃料流量Ｑｆｍは、第１燃料インジェクタ５２を通じて供給される原燃料の流量であり、燃料流量Ｑｆｓは、第２燃料インジェクタ５３を通じて供給される原燃料の流量である。図７において、期間ＰＲＤ１は、改質器温度Ｔ_refが改質器下限温度Ｔ_ref__min未満である期間を示し、期間ＰＲＤ２およびＰＲＤ３は、改質器温度Ｔ_refが改質器下限温度Ｔ_ref__min以上である期間を示している。期間ＰＲＤ２は、原燃料総流量ｍ_fuel__ttl（＝Ｑｆｍ＋Ｑｆｓ）が定格流量ｍ_rtdよりも大きい場合を、期間ＰＲＤ３は、原燃料総流量ｍ_fuel__ttlが定格流量ｍ_rtd以下である場合を示している。図７下段のタイムチャートにおいて、第１燃料インジェクタ５２の原燃料噴射量Ｑｆｍを二点鎖線により、第２燃料インジェクタ５３の原燃料噴射量Ｑｆｓを実線により示している。

Claims (13)

1. 燃料電池と、
   原燃料を処理し、前記燃料電池の燃料ガスを生成する燃料処理部と、
   前記燃料電池の酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス加熱部と、
   前記原燃料を燃焼させ、前記燃料処理部および前記酸化剤ガス加熱部を加熱するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃料電池の暖機時に、前記燃料処理部および前記燃焼器に対する前記原燃料の供給を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料処理部がその動作可能温度にある場合に、前記燃料処理部および前記燃焼器の双方に前記原燃料を供給する、燃料電池システム。
2. 燃料電池と、
   前記燃料電池のアノードガス通路に設置され、原燃料を処理する燃料処理部と、
   前記燃料電池のカソードガス通路に設置され、酸化剤ガスを加熱する酸化剤ガス加熱部と、
   前記原燃料を燃焼させ、前記燃料処理部および前記酸化剤ガス加熱部を前記原燃料の燃焼ガスにより加熱可能に配設された燃焼器と、
   前記燃料処理部および前記燃焼器に対する前記原燃料の供給を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出部と、
   前記燃料電池の温度に基づき前記燃料電池の暖機時における前記原燃料の目標流量である暖機時目標流量を設定する暖機時目標流量設定部と、
   前記燃料処理部がその動作可能温度にある場合に、前記暖機時目標流量の前記原燃料を、前記燃料処理部および前記燃焼器の双方に供給する燃料供給制御部と、
   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であって、
   前記温度検出部は、前記燃料電池の温度として、前記燃料電池の出口温度を検出する、
   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であって、
   前記制御部は、
   前記燃料電池に対する前記酸化剤ガスの供給流量である酸化剤ガス流量を検出する酸化剤ガス流量検出部と、
   前記燃料電池の出口温度に基づき前記燃焼ガスの目標温度である目標燃焼ガス温度を設定する目標燃焼ガス温度設定部と、
   をさらに備え、
   前記暖機時目標流量設定部は、前記目標燃焼ガス温度、前記酸化剤ガス流量および前記燃料電池の出口温度に基づき前記暖機時目標流量を設定する、
   燃料電池システム。
5. 請求項２〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記暖機時目標流量は、暖機後の通常時に設定される前記原燃料の供給流量よりも大きい、
   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であって、
   前記燃料供給制御部は、前記燃料電池の定格運転に要する供給流量の前記原燃料を前記燃料処理部に供給し、前記定格運転に要する供給流量の、前記暖機時目標流量に対する不足分の前記原燃料を前記燃焼器に供給する、
   燃料電池システム。
7. 請求項２〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃焼器は、前記燃料電池のアノードオフガス通路およびカソードオフガス通路と接続されている、
   燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記燃料処理部の温度が前記動作可能温度未満の場合に、前記燃料処理部および前記燃焼器のうち、前記燃焼器のみに前記原燃料を供給する、
   燃料電池システム。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料処理部は、前記原燃料を前記燃料ガスに改質する改質器を有し、
   前記制御部は、前記改質器が前記原燃料の改質可能温度にある場合に、前記燃料処理部および前記燃焼器の双方に前記原燃料を供給する、
   燃料電池システム。
10. 請求項９に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記改質器の温度として、前記改質器下流の前記燃料ガスの温度を検出する、
    燃料電池システム。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料処理部は、液体の前記原燃料を蒸発させる蒸発器を有し、
    前記制御部は、前記蒸発器が前記原燃料の蒸発可能温度にある場合に、前記燃料処理部および前記燃焼器の双方に前記原燃料を供給する、
    燃料電池システム。
12. 請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記蒸発器の温度として、前記蒸発器下流の前記燃焼ガスの温度を検出する、
    燃料電池システム。
13. 原燃料の処理により生じた燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムを制御する、燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムの起動時において、前記原燃料の処理が可能な状態に前記燃料電池システムがあるか否かを判定し、
    前記原燃料の処理が可能な状態にある場合に、
    前記原燃料の処理を行い、
    前記燃料電池に前記燃料ガスを供給し、
    前記原燃料を燃焼させ、
    前記原燃料の燃焼ガスを熱源として、前記原燃料の処理を促すとともに、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加熱する、
    燃料電池システムの制御方法。

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