WO2019026156A1

WO2019026156A1 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法

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Publication number: WO2019026156A1
Application number: PCT/JP2017/027768
Authority: WO
Inventors: 朋子有阪; 慎二宮川
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2019-02-07
Also published as: EP3664207A1; EP3664207A4; US11205792B2; CN110959211A; US20200381755A1; JPWO2019026156A1; JP6777238B2; CN110959211B

Abstract

燃料電池と、原燃料および酸化剤が供給され、原燃料の燃焼ガスを生成する触媒燃焼器と、触媒燃焼器に対する原燃料および酸化剤の供給を制御する制御部と、を備える燃料電池システムである。制御部は、燃料電池システムの起動時において、触媒燃焼器に原燃料および酸化剤を供給し、触媒燃焼器における原燃料の改質反応が原燃料の燃焼反応に対して優位に転ずる時期に、原燃料に対する酸化剤の比率である空燃比を、改質反応が優位に転ずる時期前よりも増大させる。

Description

燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法

　本発明は、暖機用の熱量を燃焼器により生じさせる燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

　ＪＰ２００８－２９３７５６には、燃焼促進用の触媒を有する燃焼器を備え、システム起動時にこの燃焼器に燃料と空気とを供給し、燃料である水素の燃焼により生じた熱量を用いて燃料電池を加熱し、燃料電池の暖機を促進することが開示されている（段落００６８、００６９）。

　暖機の早期達成の観点から、燃焼器に備わる触媒を速やかに昇温させることが求められる。他方で、燃焼器により燃料処理前の原燃料を燃焼させる場合は、水素を燃焼させる場合とは異なり、原燃料の燃焼により、触媒を昇温させる過程で大気汚染物質の排出量が増大する場合がある。よって、単に原燃料を燃焼器に供給し、燃焼させるだけでは、大気中に放出される大気汚染物質が増大することが懸念される。

　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、原燃料および酸化剤が供給され、原燃料の燃焼ガスを生成する触媒燃焼器と、触媒燃焼器に対する原燃料および酸化剤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。本形態に係る制御部は、燃料電池システムの起動時において、触媒燃焼器に原燃料および酸化剤を供給し、触媒燃焼器における原燃料の改質反応が原燃料の燃焼反応に対して優位に転ずる時期に、原燃料に対する酸化剤の比率である空燃比を、改質反応が優位に転ずる時期前よりも増大させる。

　本発明は、他の形態において、燃料電池システムの制御方法を提供する。

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、燃料電池システムの具体例を示す構成図である。図３は、燃料電池システムの起動時における作動状態を示す説明図である。図４は、燃料電池システムの通常時における作動状態を示す説明図である。図５は、本発明の一実施形態に係る起動制御の流れを示すフローチャートである。図６は、起動制御の作用効果を説明するタイムチャートである。図７は、特定ガス成分排出量の変化を模式的に示す説明図である。図８は、起動制御の変更例を示すタイムチャートである。図９は、起動制御の他の変更例を示すタイムチャートである。図１０は、本発明の他の実施形態に係る起動制御の流れを示すフローチャートである。図１１は、本発明の更に別の実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示す説明図である。

　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、触媒燃焼器（以下、単に「燃焼器」という）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を生成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）。原燃料は、例えば、含酸素燃料であり、本実施形態では、エタノールである。

　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）、酸化剤の供給を受ける（矢印Ｃ）。燃焼ガスが有する熱量は、燃料電池スタック１に供給されるばかりでなく、燃料処理部２および酸化剤ガス加熱部３にも供給される。図１は、燃焼器４から燃料電池スタック１、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、酸化剤ガス加熱部３および燃焼器４に対する原燃料および酸化剤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るコントローラ５１を備える。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とは、いずれもインジェクタ（第１燃料インジェクタ５２、第２燃料インジェクタ５３）であってよい。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。

　コントローラ５１は、燃料電池システムＳの起動時に、燃料電池システムＳの暖機を促進するため制御を実行する。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し、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を通じて燃料電池システムＳに原燃料を供給し、原燃料の処理が可能な状態にない場合に、第２燃料インジェクタ５３を通じて原燃料を供給する。これにより、燃料処理部２が原燃料の処理が可能な状態にない場合に、燃焼器４で生成された燃焼ガスを熱源として、燃料電池スタック１および燃料処理部２を加熱し、燃料電池システムＳ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）であり、燃料タンク７には、含酸素燃料と水との混合物（例えば、４５体積％のエタノールを含有するエタノール水溶液）が貯蔵されている。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（触媒燃焼器）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る。蒸発器２１、燃料熱交換器２２および改質器２３は、燃料電池システムＳの燃料処理部２を構成するものであり、原燃料を処理し、燃料電池の燃料ガスを生成する。

　蒸発器２１は、燃料タンク７から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、燃焼器４１から燃焼により生じた熱量を受け、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、原燃料である気体のエタノールから、水蒸気改質により燃料ガスである水素を生成する。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、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、燃焼により生じた熱量を改質器２３に供給する。

　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℃）から加熱され、燃料電池スタック１に供給される。

　燃焼器４１は、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）およびＲｈ（ロジウム）の３元素からなる燃焼用触媒を内蔵し、分岐燃料通路１１ｓｕｂを通じてエタノール水溶液の供給を受け、原燃料である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、燃焼ガスが有する熱量により蒸発器２１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。このように、本実施形態では、燃焼器４１で生成された燃焼ガスにより、燃料電池スタック１ばかりでなく、燃料処理部２も加熱する。これに限らず、燃焼器４１は、燃料電池スタックＳか燃料処理部２かのいずれかを加熱する専用のものであってもよい。

　本実施形態において、燃焼器４１は、エアコンプレッサ６１の下流側でカソードガス通路１２から分岐する通路（以下「分岐空気通路」という）１２ｓｕｂと接続され、分岐空気通路１２ｓｕｂには、通路１２ｓｕｂを流れる酸化剤（空気）の流量を調節するための流量制御弁６２が設置されている。さらに、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と接続されている。これにより、燃料電池システムＳの起動時に、改質器２３が改質可能温度に達するまでは、流量制御弁６２を開くことで、分岐空気通路１２ｓｕｂを通じて燃焼器４１に酸化剤を供給する一方、改質可能温度に達した後は、流量制御弁６２を閉じ、カソードオフガス通路１２ｅｘｈを介して酸化剤（アノードオフガス中の残酸素）を供給することが可能である。

　ここで、燃焼器４１における原燃料の反応は、次式により表すことができる。

　Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ＋１／２Ｏ₂　→　２ＣＯ＋３Ｈ₂　…（３．１）
　ＣＯ＋１／２Ｏ₂　→　ＣＯ₂　…（３．２）
　Ｈ₂＋１／２Ｏ₂　→　Ｈ₂Ｏ　…（３．３）
　Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ　→　ＣＨ₃ＣＨＯ＋Ｈ₂　…（３．４）
　ＣＨ₃ＣＨＯ　→　ＣＨ₄＋ＣＯ　…（３．５）
　上式（３．１）～（３．５）のうち、式（３．１）～（３．３）が原燃料の燃焼反応を示し、式（３．４）および（３．４）が原燃料の改質反応を示す。よって、燃焼反応に対して改質反応が優位に進行すると、炭化水素および一酸化炭素等の大気汚染物質の排出量が増大することとなる。

　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でき、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、エアコンプレッサ６１および流量制御弁６２、その他、燃料電池システムＳの運転に用いられ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、起動完了後の通常時において、燃料電池スタック１の定格運転、換言すれば、最大発電出力での運転に要する原燃料の供給量（以下「通常時供給量」という）を設定し、通常時供給量の原燃料を、第１燃料インジェクタ５２を通じて燃料電池システムＳに供給する。

　他方で、コントローラ５１は、燃料電池システムＳの起動時に、燃料電池システムＳ全体の暖機を行う起動制御を実行する。起動制御により、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。固体酸化物型燃料電池の動作温度は、８００～１０００℃程度であり、本実施形態では、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、燃焼器温度Ｔ_cmbを検出する燃焼器温度センサ１０２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、排ガス濃度Ｃ_cmbを検出する排ガスセンサ１０４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。

　燃焼器温度Ｔ_cmbは、燃焼器４１の温度である。本実施形態では、燃焼器４１の下流側の燃焼ガス通路４２に燃焼器温度センサ１０２を設置し、燃焼器温度センサ１０２により検出された温度、つまり、燃焼器４１の出口部温度をもって燃焼器温度Ｔ_cmb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１０３を設置し、改質器温度センサ１０３により検出された温度をもって改質器温度Ｔ_refとする。

　排ガス濃度Ｃ_cmbは、燃焼器４１で生成される燃焼ガス中の特定ガス成分の濃度である。本実施形態では、燃焼ガスの潜在的な成分であるＣＯ、ＣＯ₂、ＣＨ₄、Ｈ₂、Ｈ₂ＯおよびＣＨ₃ＣＨＯのうち、改質反応の結果物として生じるＣＯ、ＣＨ₄、Ｈ₂およびＣＨ₃ＣＨＯの少なくとも一種のガス成分を、特定ガス成分とする。燃焼器４１と空気熱交換器３１との間の燃焼ガス通路４２に排ガスセンサ１０４を設置し、排ガスセンサ１０４により検出された濃度をもって排ガス濃度Ｃ_cmbとする。

（燃料電池システムの動作説明）
　図３および４は、燃料電池システムＳの作動状態を示しており、図３は、燃料電池システムＳの起動時における作動状態を、図４は、起動完了後の通常時における作動状態を示している。アノード系およびカソード系の通路のうち、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。

　起動時では、第１燃料インジェクタ５２を通じた原燃料の供給を停止し、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３）。他方で、エアコンプレッサ６１を作動させ、流量制御弁６２を開くことで、分岐空気通路１２ｓｕｂを通じて燃焼器４１に酸化剤（空気）を供給する。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。蒸発器２１、燃料熱交換器２２、改質器２３および空気熱交換器３１に併せ、燃料電池スタック１を加熱し、燃料電池システムＳ全体の暖機を促進することができる。

　通常時では、燃料電池スタック１の定格運転に要する通常時供給量の原燃料を、第１燃料インジェクタ５２を通じて燃料電池システムＳに供給し、燃料電池スタック１を定格出力で運転する（図４）。他方で、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、燃料電池システムＳ全体を運転に必要な温度に維持する。

　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５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５のフローチャートに示す手順に従って燃料電池システムＳの起動制御を実行するようにプログラムされている。コントローラ５１は、起動要求信号の入力をもって起動制御を開始し、燃料電池スタック１ないし燃料電池の暖機が完了したとの判定をもってこれを終了する。

　Ｓ１０１では、起動制御に関わる各種センサ出力を読み込む。具体的には、スタック温度Ｔ_stk、燃焼器温度Ｔ_cmb、改質器温度Ｔ_refおよび排ガス濃度Ｃ_cmbを読み込む。

　Ｓ１０２では、燃焼器４１の温度Ｔ_cmbがその目標値Ｔ_{cmb_t}に達した否かを判定する。燃焼器温度Ｔ_cmbが目標値Ｔ_{cmb_t}に達した場合は、Ｓ１０９へ進み、達していない場合は、Ｓ１０３へ進む。燃焼器温度Ｔ_cmbの目標値Ｔ_{cmb_t}は、例えば、８００℃である。

　Ｓ１０３では、燃焼器４１に対して起動時に供給する原燃料の供給量（以下「起動時供給量」という）Ｑ_{f_str}を算出する。起動時供給量Ｑ_{f_str}は、燃焼ガスの目標温度（例えば、８００℃）に応じて設定することが可能である。そして、燃焼ガスを目標温度とするのに必要な熱量を発生可能な原燃料の供給量を、起動時供給量Ｑ_{f_str}として算出する。起動時供給量Ｑ_{f_str}は、演算によるばかりでなく、実験等を通じた適合により定められた量として、予め設定しておくことも可能である。

　Ｓ１０４では、起動時におけるエアコンプレッサ６１の目標回転数（以下「目標コンプレッサ回転数」という）Ｎ_{cmp_t}を算出する。目標コンプレッサ回転数Ｎ_{cmp_t}は、起動時供給量Ｑ_{f_str}の原燃料に対して空燃比を予め定められた所定値（以下「起動時目標空燃比」という）とするのに必要な量の空気を、燃焼器４１に供給可能なエアコンプレッサ６１の回転数である。本実施形態では、目標コンプレッサ回転数Ｎ_{cmp_t}を起動時供給量Ｑ_{f_str}毎に割り付けたマップデータをコントローラ５１に記憶させ、起動時供給量Ｑ_{f_str}によりこのマップデータを検索することで、目標コンプレッサ回転数Ｎ_{cmp_t}を算出する。

　Ｓ１０５では、燃焼器４１で生じる反応のうち、上式（３．４）および（３．５）で示す改質反応が上式（３．１）～（３．３）で示す燃焼反応よりも優位に進行しているか否かを判定する。本実施形態では、排ガスセンサ１０４の出力をもとに、特定ガス成分の濃度である排ガス濃度Ｃ_cmbが所定値Ｃ_{cmb_thr}を超えているか否かを判定し、排ガス濃度Ｃ_cmbが所定値Ｃ_{cmb_thr}を超えている場合に、改質反応が優位であるとして、Ｓ１０６へ進む。他方で、排ガス濃度Ｃ_cmbが所定値Ｃ_{cmb_thr}以下である場合は、燃焼反応が優位であるとして、Ｓ１１０へ進む。

　Ｓ１０６では、燃焼器４１における空燃比を増大させる。ここで、「空燃比」とは、燃焼器４１に供給される原燃料（エタノール）の質量に対する酸化剤（空気）の質量の比率をいい、本実施形態では、分岐空気通路１２ｓｕｂを通じて燃焼器４１に供給される空気の量を増大させることで、空燃比を増大させる（以下、増大後の空燃比を「起動時補正空燃比」という場合がある）。具体的には、目標コンプレッサ回転数Ｎ_{cmp_t}を増大補正して、エアコンプレッサ６１の吐出量を増大させる。これに限らず、流量制御弁６２の開度を増大させることで、燃焼器４１に供給される空気の量を増大させてもよい。

　Ｓ１０７では、燃焼器４１で生じる反応のうち、上式（３．１）～（３．３）で示す燃焼反応が上式（３．４）および（３．５）で示す改質反応よりも優位に進行しているか否かを判定する。具体的には、Ｓ１０５に示す処理により排ガス濃度Ｃ_cmbが所定値Ｃ_{cmb_thr}を超え、改質反応が燃焼反応に対して優位に転じたとして、Ｓ１０６に示す処理により空燃比を増大させた後、排ガス濃度Ｃ_cmbが低下し、その低下速度ΔＣ_cmbが所定値ΔＣ_{cmb_thr}にまで減じたか否かを判定する。そして、排ガス濃度Ｃ_cmbの変化速度ΔＣ_cmbが所定値ΔＣ_{cmb_thr}にまで減じた場合は、燃焼反応が優位に転じたとして、Ｓ１０８へ進み、減じていない場合は、改質反応が依然優位な状態にあるとして、Ｓ１０６へ戻り、Ｓ１０６および１０７に示す処理を繰り返し実行する。

　Ｓ１０８では、Ｓ１０６に示す処理による空燃比の増大補正を解除し、燃焼器４１における空燃比を元の起動時目標空燃比に復帰させる。本実施形態では、目標コンプレッサ回転数Ｎ_{cmp_t}を減少させることで、分岐空気通路１２ｓｕｂを通じて燃焼器４１に供給される空気の量を、元の供給量に減少させる。流量制御弁６２の制御により空燃比を増大させた場合は、流量制御弁６２の開度を減少させる。

　Ｓ１０９では、原燃料の処理が可能な状態にあるか否かを判定する。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、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Ｔ_{ref_min}以上であるか否かを判定する。改質器温度Ｔ_refが下限温度Ｔ_{ref_min}以上である場合は、原燃料の処理が可能な状態にあるとして、Ｓ１０９へ進み、下限温度Ｔ_{ref_min}未満である場合は、原燃料の処理が可能な状態にないとして、Ｓ１０１へ戻り、Ｓ１０１～１０８に示す処理を繰り返し実行して、燃焼器４１の温度Ｔ_cmbをその目標値Ｔ_{cmb_t}以上に維持する。

　原燃料の処理が可能な状態にあるか否かの判定は、改質器２３が原燃料を改質可能な状態にあるか否かの判定によるばかりでなく、この判定に加えるかまたはこれに代えて、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することによっても可能である。具体的には、蒸発器温度Ｔ_vapが蒸発器２１の蒸発可能な下限温度Ｔ_{vap_min}以上であるか否かを判定し、蒸発器温度Ｔ_vapが下限温度Ｔ_{vap_min}以上である場合に、原燃料の処理が可能な状態にあると判定する。蒸発器温度Ｔ_vapは、蒸発器２１の温度であり、例えば、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を設置し、蒸発器温度センサにより検出された温度をもって燃焼器温度Ｔ_vapとする。

　Ｓ１１０では、原燃料を改質器２３に供給する。つまり、起動制御を開始した後、改質器２３の温度が上昇し、原燃料の処理が可能な状態となった場合は、原燃料の供給先を燃焼器４１から燃料処理部２ないし改質器２３に切り換えて、改質器２３により燃料ガスを生成し、発電で生じた熱量により燃料電池スタック１の暖機を継続する。

　Ｓ１１１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_{stk_wup}に達したか否かを判定し、スタック温度Ｔ_stkが所定温度Ｔ_{stk_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、所定温度Ｔ_{stk_wup}に達していない場合は、暖機が未だ完了していないとして、Ｓ１０１へ戻り、Ｓ１０１～１１０に示す処理を繰り返し実行する。起動制御を終了した場合は、図示しない別のルーチンに従って通常時の制御を実行し、燃料電池スタック１を定格出力で運転する。

　本実施形態では、コントローラ５１、第２燃料インジェクタ５３およびエアコンプレッサ６１が燃料電池システムＳの「制御部」を構成する。

（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。

　図６は、燃料電池システムＳの起動時における特定ガス成分の排出量Ｑ_g、燃焼器４１に対する原燃料および酸化剤の供給量Ｑ_f、Ｑ_a、燃焼器４１の温度Ｔ_cmbの変化を示している。燃焼器４１の温度Ｔ_cmbは、触媒上で生じる反応を律する温度をいい、本実施形態では、燃焼器４１の出口部温度で代表する。図６を適宜に参照しながら、本実施形態により得られる効果について説明する。

　第１に、燃料電池システムＳの起動時に、触媒を有する燃焼器４１により原燃料を燃焼させ、燃焼により生じた熱量を用いて燃料電池スタック１および燃料処理部２（改質器２３）を加熱し、燃料電池システムＳ全体の暖機を促進することができる。

　ここで、触媒の昇温の過程で、図６の第１段に点線で示すように、原燃料であるエタノールの燃焼による大気汚染物質の排出量が増大する。原燃料の燃焼による大気汚染物質の生成は、主に触媒の温度により律速されることが判明しており、通常は、改質反応に対して燃焼反応が優位に進行することで、これが抑制される（期間ＡおよびＣ）。しかし、触媒の温度が図６に示すＴ１～Ｔ２の範囲にあるときは（期間Ｂ）、燃焼反応に対して改質反応が優位に転じ、炭化水素および一酸化炭素等の特定ガス成分の排出量Ｑ_gが増大する。

　そこで、本実施形態では、起動制御を開始した後、所定時期（時刻ｔ１）に達したときに、燃焼器４１における原燃料の改質反応が燃焼反応に対して優位に転じたとして、空燃比を増大させることで、酸化剤の相対的な増量により燃焼反応を促進し、改質反応による大気汚染物質の生成を抑制する。これにより、大気汚染物質の排出を抑制しながら、燃焼器４１の温度を上昇させ、暖機を促進することができる。図６は、空燃比の増大による低減後の特定ガス成分の排出量Ｑ_gを、太い実線により示している。

　第２に、起動制御の開始後、燃料ガスにおける特定ガス成分の濃度（排ガス濃度Ｃ_cmb）が所定濃度Ｃ_{cmb_thr}に達したときに（時刻ｔ１）、所定時期に達したとして、空燃比を増大させることで、特定ガス成分の濃度をもとに所定時期をより適切に設定可能とし、大気汚染物質の排出を抑制することができる。

　第３に、排ガスセンサ１０４により、簡易な構成で所定時期に達したことを判定することができる。

　第４に、図６の第３段に太い実線で示すように、燃焼器４１に対する酸化剤の供給量Ｑ_aを増大させることにより空燃比を増大させることで、原燃料の供給量Ｑ_fを減少させる必要がないため、熱量の不足により燃焼器４１の昇温に遅れが生じるのを抑制し、起動の完了が過度に遅れるのを回避することができる。

　ここで、空燃比の増大は、酸化剤の供給量Ｑ_aを増大させることによるほか、原燃料の供給量Ｑ_fを減少させることによっても可能である。図６は、原燃料の減量により空燃比を増大させた場合の変化を、二点鎖線により示している。原燃料の減量によれば、酸化剤の供給量Ｑ_aを増大させる必要がないため、燃焼器４１に備わる触媒の劣化が進行するのを抑制することができる。

　本実施形態では、特定ガス成分の濃度（排ガス濃度Ｃ_cmb）を検出し、これが所定濃度Ｃ_{cmb_thr}に達したときに、所定時期に達したとして、空燃比を増大させることとした。所定時期に達したか否かの判断は、これに限らず、燃焼器４１の温度をもとに行うことも可能である。

　具体的には、触媒上で生じる反応を律する温度またはこれに相関する温度（例えば、燃焼器温度Ｔ_cmb）を検出する温度センサを設置し、起動制御を開始した後、温度センサにより検出された温度が第１所定温度（図６に示す温度Ｔ１）に達したときに（時刻ｔ１）、所定時期に達したとして、空燃比を増大させる。その後、燃焼器４１の温度がさらに上昇し、温度センサの検出温度が第１所定温度Ｔ１よりも高い第２所定温度（温度Ｔ２）に達したときに、空燃比を減少させる。空燃比を増大させる具体的な方法は、先に述べたのと同様であってよく、燃焼器４１に対する酸化剤の供給量を増大させるか、原燃料の供給量を減少させる。

　このように、起動制御の開始後、所定時期に達したか否か、換言すれば、燃焼器４１における原燃料の反応として燃焼反応が優位な状態から改質反応が優位な状態に転じたか否かの判定を燃焼器４１の温度をもとに行うことで、温度センサを用いた廉価な構成により判定可能とし、大気汚染物質の排出を抑制することができる。そして、燃焼器４１の温度が第２所定温度Ｔ２に達したときに、空燃比を減少させることで、空燃比の不要な増大により、燃焼器４１に備わる触媒の劣化が進行するのを回避することができる。

　さらに、起動開始後の経過時間を計測し、経過時間が所定時間に達したときに（時刻ｔ１）、空燃比を増大させるようにしてもよい。起動開始後の経過時間と燃焼器４１の温度との関係は、実験等を通じて予め把握しておくことが可能である。そこで、燃焼器４１の温度が所定温度Ｔ１およびＴ２となると推定される経過時間ｔ１、ｔ２を設定し、起動制御を開始した後、経過時間が第１所定時間ｔ１に達したときに、空燃比を増大させ、その後、第１所定時間ｔ１よりも後の第２所定時間ｔ２に達したときに、空燃比を減少させるのである。

　このように、所定時期に達したか否かの判定を時間により行うことで、センサ等の追加部品を必要とせずに大気汚染物質の排出を抑制することができる。

（他の実施形態の説明）
　以上の説明では、燃焼ガスの潜在的な成分であるＣＯ、ＣＯ₂、ＣＨ₄、Ｈ₂、Ｈ₂ＯおよびＣＨ₃ＣＨＯのうち、改質反応の結果物として生じるＣＯ、ＣＨ₄、Ｈ₂およびＣＨ₃ＣＨＯの少なくとも一種のガス成分を特定ガス成分とし、この成分の濃度（排ガス濃度Ｃ_cmb）をもとに所定時期にあるか否かを判定することとした。所定時期にあるか否かの判定は、これに限らず、燃焼反応の結果物として生じるＣＯ₂またはＨ₂Ｏを特定ガス成分とし、燃焼ガスにおけるその成分の濃度をもとに行うことも可能である。

　図７は、燃焼器４１の温度の上昇に対するＣＯ、ＣＨ₄、Ｈ₂およびＣＨ₃ＣＨＯの排出量の変化を上段に、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏの排出量の変化を下段に、夫々示している。このように、空燃比を増大させるべき所定時期に達したか否かの判定は、改質反応が優位に転ずることで減少する傾向にあるガス成分の排出量をもとに行うこともできる。

　さらに、以上の説明では、原燃料の供給量を減少させることにより空燃比を増大させる場合に、所定時期に達した後、原燃料の供給量を一律に減少させることとした。原燃料の減量による空燃比の増大は、これに限らず、原燃料の減量と増量とを交互に実行することにより行うことも可能である。

　図８は、その場合の実施形態として、本発明の他の実施形態に係る起動制御の内容をタイムチャートにより示している。

　本実施形態において、コントローラ５１は、空燃比を増大させるときに、燃焼器４１に対する原燃料の供給を停止し、その後、供給の再開および停止を交互に実行する。このように、原燃料の供給を停止することで、空燃比の増大により燃焼反応を促進し、大気汚染物質の排出を抑制することができる。そして、原燃料の供給停止後、供給の再開と停止とを交互に実行することで、燃焼器４１に備わる触媒の劣化が進行するのを抑制しながら、原燃料の供給停止により燃焼器４１の昇温が過度に妨げられ、起動に要する時間が大幅に長引くのを回避することができる。

　図９は、本発明の更に別の実施形態に係る起動制御の内容をタイムチャートにより示している。

　本実施形態では、コントローラ５１は、所定時期に達したか否かの判定を起動開始後の経過時間をもとに行うとともに、燃焼器４１に備わる触媒の劣化度合いを判定し、触媒の劣化度合いに応じて第１所定時間ｔ１および第２所定時間ｔ２を補正する。具体的には、触媒の劣化が進行するほど、第１所定時間ｔ１および第２所定時間ｔ２を遅らせて設定する。触媒の劣化が進行するほど、経過時間に対する燃焼器４１の温度の上昇勾配が緩やかになる傾向がある。よって、触媒の劣化が進行した場合に、劣化前と比較して、第１所定時間ｔ１２および第２所定時間ｔ２２を遅らせて設定し、さらに、空燃比を増大させる期間Ｂ（ｔ１２～ｔ２２）を延長することで、劣化度合いに応じた適切な時期に空燃比を増大させ、大気汚染物質の排出を抑制することができる。触媒の劣化度合いは、原燃料の供給を開始した後の燃焼器４１の温度の上昇勾配をもとに検出することが可能である。

　図１０は、本発明の更に別の実施形態に係る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、起動スイッチ１０５から起動要求信号を入力すると、記憶装置から起動制御のプログラムを読み出し、図１０のフローチャートに示す手順に従って燃料電池システムＳの起動制御を実行する。先の実施形態に係る起動制御（図５）との相違点を中心に説明する。

　起動制御の開始後、燃焼器４１の温度Ｔ_cmbが未だその目標値Ｔ_{cmb_t}に達していない場合に、Ｓ２０１では、燃焼器４１が所定温度領域にあるか否か、具体的には、燃焼器４１で生じる反応のうち、改質反応が優位に進行し、燃焼器４１からの特定ガス成分の排出量Ｑ_gが所定量Ｑ_{g_thr}を超える領域（温度Ｔ１～Ｔ２）にあるか否かを判定する。所定温度領域にあるか否かの判定は、燃焼器４１の温度を直接的に検出することによるほか、排ガス濃度Ｃ_cmbを検出することによっても可能であり、起動開始後の経過時間から判断することも可能である。燃焼器４１が所定温度領域にある場合は、改質反応が優位であるとして、Ｓ２０３へ進み、所定温度領域にない場合は、燃焼反応が優位であるとして、Ｓ２０２へ進む。

　Ｓ２０２では、燃焼器４１における空燃比を、比較的低い第２空燃比λ２に設定する。

　Ｓ２０３では、燃焼器４１における空燃比を、第２空燃比λ２よりも高い第１空燃比λ１に設定する。

　Ｓ２０４では、第１空燃比λ１または第２空燃比λ２を達成するための原燃料の供給量（起動時供給量）Ｑ_{f_str}を算出する。本実施形態では、次に述べるように、酸化剤の増量により空燃比を増大させることとし、起動時供給量Ｑ_{f_str}は、先の実施形態と同様に、燃焼器４１で生成される燃焼ガスの目標温度（Ｔ_{cmb_t}）に応じて設定する。

　Ｓ２０５では、第１または第２空燃比λ１、λ２を達成するためのエアコンプレッサ６１の目標回転数（目標コンプレッサ回転数）Ｎ_{cmp_t}を算出する。本実施形態において、目標コンプレッサ回転数Ｎ_{cmp_t}の算出は、起動時供給量Ｑ_{f_str}の原燃料に対して第１または第２空燃比λ１、λ２を達成するのに必要な空気の量を算出し、算出された空気量をエアコンプレッサ６１の作動特性に基づき目標コンプレッサ回転数Ｎ_{cmp_t}に換算することによる。

　このように、本実施形態によれば、燃料電池システムＳの起動時に、燃焼器４１の温度がその目標値（燃料電池システムＳの暖機に要する温度であり、例えば、８００℃）に向けて上昇する過程で、燃焼器４１で改質反応が優位となる所定温度領域を通過するときに（期間Ｂ）、所定温度領域外にある場合（期間ＡまたはＣ）と比較して燃焼器４１における空燃比を増大させることで、酸化剤を相対的に増量し、燃焼反応を優位に進行させて、大気汚染物質の排出を抑制することができる。

　燃焼ガスを生成する燃焼器ないし触媒燃焼器は、燃料電池の排出側に配置するばかりでなく、供給側に配置することも可能である。図１１は、その場合の実施形態を示している。本実施形態では、排出側の燃焼器（以下、特に「排気燃焼器」という）４１に加えて触媒燃焼器３２が設けられ、供給側の触媒燃焼器３２は、カソードガス通路１２に介装されている。触媒燃焼器３２に対し、原燃料と酸化剤とが供給可能に構成されており（供給経路を、点線により示す）、具体的には、燃料タンク７からエタノールが、さらに、エアコンプレッサ６１を介して大気中の空気が、夫々供給される。触媒燃焼器３２は、カソードガス通路１２を流れる酸化剤ガス（空気）を燃焼ガスにより加熱する熱交換器として構成され、燃料電池システム１の起動時において、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加熱し、燃料電池のカソード極に供給する。排気燃焼器４１に対する原燃料および酸化剤の供給を停止させ、燃料電池スタック１の暖機を専ら触媒燃焼器３２により実行することも可能である。

　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。

Claims

　燃料電池と、
　原燃料および酸化剤が供給され、前記原燃料の燃焼ガスを生成する触媒燃焼器と、
　前記触媒燃焼器に対する前記原燃料および前記酸化剤の供給を制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
　前記制御部は、
　前記燃料電池システムの起動時において、前記触媒燃焼器に前記原燃料および前記酸化剤を供給し、前記触媒燃焼器における前記原燃料の改質反応が前記原燃料の燃焼反応に対して優位に転ずる時期に、前記原燃料に対する前記酸化剤の比率である空燃比を、前記改質反応が優位に転ずる時期前よりも増大させる、
燃料電池システム。
　請求項１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を供給するためのアノードガス通路と、
　前記アノードガス通路に介装され、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、
　をさらに備え、
　前記触媒燃焼器は、前記燃料電池および前記燃料処理部のうち少なくとも一方を加熱可能に設けられた、
燃料電池システム。
　請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
　前記制御部は、前記燃料電池システムの起動開始後、前記燃焼ガスにおける特定ガス成分の濃度が所定濃度に達したときに、前記空燃比を増大させる、
燃料電池システム。
　請求項３に記載の燃料電池システムであって、
　前記原燃料は、エタノールであり、
　前記特定ガス成分は、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４、Ｈ２、Ｈ２ＯおよびＣＨ３ＣＨＯのうち少なくとも一つである、
燃料電池システム。
　請求項４に記載の燃料電池システムであって、
　前記制御部は、前記特定ガス成分の濃度を検出可能に配設された排ガスセンサを有する、
燃料電池システム。
　請求項１に記載の燃料電池システムであって、
　前記制御部は、前記燃料電池システムの起動開始後、前記触媒燃焼器の温度が第１所定温度に達したときに、前記空燃比を増大させる、
燃料電池システム。
　請求項１に記載の燃料電池システムであって、
　前記制御部は、前記燃料電池システムの起動開始後の経過時間が所定時間に達したときに、前記空燃比を増大させる、
燃料電池システム
　請求項７に記載の燃料電池システムであって、
　前記制御部は、前記触媒燃焼器に備わる触媒の劣化度合いを判定し、前記触媒の劣化が進行するほど、前記所定時間を遅らせる、
燃料電池システム。
　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、
　前記制御部は、前記空燃比を増大させた後、前記触媒燃焼器の温度が上昇し、第２所定温度に達したときに、前記空燃比を減少させる、
燃料電池システム。
　請求項１～９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、前記空燃比を増大させるときに、前記触媒燃焼器に対する前記酸化剤の供給量を増大させる、
燃料電池システム。
　請求項１～９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、前記空燃比を増大させるときに、前記触媒燃焼器に対する前記原燃料の供給量を減少させる、
燃料電池システム。
　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、前記空燃比を増大させるときに、前記触媒燃焼器に対する前記原燃料の供給を停止し、さらに、供給の再開および停止を交互に実行する、
燃料電池システム。
　燃料電池と、
　原燃料と酸化剤が供給され、前記原燃料の燃焼ガスを生成する触媒燃焼器と、
　前記触媒燃焼器に対する前記原燃料および前記酸化剤の供給を制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
　前記制御部は、
　前記燃料電池システムの起動時において、前記触媒燃焼器に前記原燃料および前記酸化剤を供給し、前記触媒燃焼器の温度が目標温度に向けて上昇する過程で、前記目標温度よりも低い所定温度領域を通過するときに、前記所定温度領域外にある場合と比べ、前記原燃料に対する前記酸化剤の比率である空燃比を増大させる、
燃料電池システム。
　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、
　　前記原燃料を触媒上で燃焼させ、
　　燃焼により生じた燃焼ガスを熱源として、前記燃料電池システムの暖機を促進し、
　　前記触媒上での前記原燃料の改質反応が前記原燃料の燃焼反応に対して優位に転ずる時期に、前記燃焼に供する酸化剤の前記原燃料に対する比率である空燃比を、前記改質反応が優位に転ずる時期前よりも増大させる、
燃料電池システムの制御方法。