(57)【要約】  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供給制御部と、燃料電池の暖機時における発電状態を制御する発電制御部と、を備える燃料電池システムが提供される。燃料電池がその発電可能温度に達した場合に、発電制御部により、燃料電池に発電を行わせ、供給制御部により、燃料処理部および燃焼器の双方に原燃料を供給する。
2019064539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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供給制御部と、
前記燃料電池の前記暖機時における発電状態を制御する発電制御部と、
を備え、
前記燃料電池がその発電可能温度に達した場合に、
前記発電制御部は、前記燃料電池に発電を行わせ、
前記供給制御部は、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。
【請求項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、前記燃料電池の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、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供給制御部と、
前記燃料電池の前記暖機時における発電状態を制御する発電制御部と、
を備え、
前記発電制御部は、前記燃料電池がその発電可能温度に達した場合に、前記燃料電池に発電を行わせ、
前記供給制御部は、
前記燃料電池の暖機時における前記原燃料の目標流量として、前記燃料電池の温度に応じた暖機時目標流量を設定する暖機時目標流量設定部を備え、
前記燃料電池が前記発電可能温度に達した場合に、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に振り分けて供給する、
燃料電池システム。
【請求項３】
前記暖機時目標流量設定部は、
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を有し、
前記暖機時目標流量と、前記燃焼ガスの熱量と、前記燃料処理部を流れるアノードガスの排熱回収量と、前記燃料電池の発電量と、の関係を示す関係式が設定され、
前記目標燃焼ガス温度に基づき、前記関係式を介して前記暖機時目標流量を設定する、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記暖機時目標流量設定部は、
前記燃焼ガスの目標温度を設定する目標燃焼ガス温度設定部と、
前記燃焼ガスの温度を検出する燃焼ガス温度検出部と、を有し、
前記燃焼ガスの目標温度および検出温度に基づき、前記暖機時目標流量を設定する、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記暖機時目標流量設定部は、
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出部をさらに有し、
前記燃料電池の温度に基づき、前記燃焼ガスの目標温度を設定する、
請求項３または４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
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目標流量よりも大きい、
請求項２〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記供給制御部は、前記暖機時目標流量のうち前記燃料処理部に供給される前記原燃料の占める比率を、前記燃料電池の入出力間における温度差の拡大に対して増大させる、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記供給制御部は、
前記暖機時目標流量のうち前記燃料処理部に供給される前記原燃料の占める比率が相対的に高い第１供給モードと、前記燃焼器に供給される前記原燃料の占める比率が相対的に高い第２供給モードと、を切換可能に構成され、
前記燃料電池の入出力間における温度差が所定値以下の場合は、前記第２供給モードを選択し、前記温度差が前記所定値を超えている場合は、前記第１供給モードを選択する、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記暖機時に前記燃焼処理部に供給される前記原燃料の流量は、暖機後の通常時に設定される前記原燃料の目標流量以下である、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記発電制御部は、前記燃料電池に対し、前記燃料電池の温度に応じた下限電圧で発電を行わせる、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
原燃料の処理により生じた燃料ガスを燃料電池に供給して発電を行う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、
前記燃料電池が発電可能な状態にあるか否かを判定し、
前記燃料電池が発電可能な状態にある場合に、
前記原燃料を処理して前記燃料電池に発電を行わせ、発電により生じた熱量により前記燃料電池を加熱するとともに、
前記原燃料を燃焼させ、前記原燃料の燃焼により生じた燃焼ガスを熱源とし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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
ＪＰ２０１６−１５４０６７には、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（段落００３２、００３３）。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、を設け、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し、燃焼ガスの熱量により燃料電池を加熱する一方、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し、発電で生じた熱量により燃料電池の更なる昇温を図ることとしている。
【発明の概要】
【０００３】
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低温動作型のものと比べてより大きな熱量を生じさせる必要がある。ここで、燃料電池の暖機に要する時間を短縮しようとした場合は、原燃料の供給流量を増大させることが必要となる。これに対し、原燃料の供給先を起動用燃焼器と改質器との間で単に切り換えるだけでは、燃料流量の増大に対応するため、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り、システム全体の効率を高めるうえで不利となる。
【０００４】
さらに、ＪＰ２０１６−１５４０６７では、燃料電池による発電が可能となった後の制御について、何ら言及されていない。
【０００５】
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。
【０００６】
本発明の一形態では、燃料電池システムが提供される。本形態に係る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供給制御部と、燃料電池の暖機時における発電状態を制御する発電制御部と、を備える。そして、燃料電池がその発電可能温度に達した場合に、発電制御部により、燃料電池に発電を行わせ、供給制御部により、燃料処理部および燃焼器の双方に原燃料を供給する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】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】図２は、同上燃料電池システムの具体的な構成を示す説明図である。
【図３】図３は、同上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】図４は、発電加熱モードにおける処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】図５は、燃料電池スタックの電流および電圧の、温度に応じた関係を示す説明図である。
【図６】図６は、燃料電池スタックの電流と発熱量との関係を示す説明図である。
【図７】図７は、燃料電池スタックの温度と目標発電量との関係を示す説明図である。
【図８】図８は、システム停止時と発電時とにおける、メイン燃料流量とサブ燃料流量との関係を示す説明図である。
【図９】図９は、燃料電池スタックの発電量とメイン燃料流量との関係を示す説明図である。
【図１０】図１０は、起動制御の動作説明図（ＰＲＤ１）である。
【図１１】図１１は、起動制御の動作説明図（ＰＲＤ４）である。
【図１２】図１２は、起動後の通常時における制御の動作説明図である。
【図１３】図１３は、起動制御における燃焼器温度Ｔcmb、スタック温度Ｔstkおよび燃料流量ｍfuel（メイン燃料流量ｍfuel_m、サブ燃料流量ｍfuel_s）の変化を示すタイムチャートである。
【図１４】図１４は、本発明の他の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１５】図１５は、燃料電池スタックの温度と目標燃焼器温度との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
（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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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）。
【００１３】
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る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。
【００１４】
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。
【００１５】
アノード極：  ２Ｈ2＋４Ｏ2-  →  ２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-  …（１．１）
カソード極：  Ｏ2＋４ｅ-  →  ２Ｏ2-  …（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）。燃焼により生じた熱量は、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。本実施形態では、燃料電池スタック１自体を燃焼ガスによる直接的な加熱の対象としないが、これに限らず、燃焼器４と燃料電池スタック１とを共用の断熱ケースに収めるなどして、燃焼ガスの熱量が燃料電池スタック１に対して直接的に伝わるように構成することも可能である。
【００１６】
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メイン燃料供給ユニット５２と、燃焼器４に原燃料を供給するためのサブ燃料供給ユニット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、メイン燃料供給ユニット５２として第１燃料インジェクタを備え、サブ燃料供給ユニット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である。
【００１７】
コントローラ５１は、燃料電池システムＳの起動に際し、燃料電池スタック１ないし燃料電池が発電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１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、燃料電池スタック１が発電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。つまり、起動開始後、燃料電池スタック１の温度が上昇し、発電可能な状態に至った場合は、燃料電池スタック１による発電を開始し、燃料処理部２および燃焼器４の双方に原燃料を供給するのである。これにより、発電により生じた熱量により燃料電池スタック１を加熱するとともに、燃焼器４により生成された燃焼ガスをも熱源として、燃料電池スタック１の暖機を促すことが可能となる。
【００１８】
制御部５は、本実施形態に係る「供給制御部」および「発電制御部」を構成する。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、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。
【００２２】
燃料熱交換器２２は、燃焼器４１から燃焼ガスの熱量を受け、エタノールガスおよび水蒸気を加熱する。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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を介して接続される一方、燃料熱交換器２２および改質器２３が燃焼器４１と共用の断熱ケースに収容され（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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
（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。
【００２９】
コントローラ５１は、通常の運転時（以下、単に「通常時」という）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。
【００３０】
他方で、コントローラ５１は、起動スイッチ１０６からの信号に基づき燃料電池システムＳの起動要求の発生を検知すると、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℃程度である。
【００３１】
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Ｔstkを検出するスタック温度センサ１０１からの信号、空気流量ｍairを検出する空気流量センサ１０２からの信号、酸化剤ガス温度Ｔcthを検出する酸化剤ガス温度センサ１０３からの信号、改質器温度Ｔrefを検出する改質器温度センサ１０４からの信号、燃焼器温度Ｔcmbを検出する燃焼器温度センサ１０５からの信号等を入力する。
【００３２】
スタック温度Ｔstk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Ｔstkとする。
【００３３】
空気流量ｍair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ｍairとする。
【００３４】
酸化剤ガス温度Ｔcthは、燃料電池スタック１の入口温度に対する相関性を有する温度として採用され、本実施形態では、燃料電池スタック１の酸化剤ガス入口付近に酸化剤ガス温度センサ１０３を設置し、酸化剤ガス温度センサ１０３により検出された温度をもって酸化剤ガス温度Ｔcthとする。
【００３５】
改質器温度Ｔrefは、改質器２３に備わる触媒の温度を示す指標であり、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Ｔrefとする。
【００３６】
燃焼器温度Ｔcmbは、燃焼器４により生成される燃焼ガスの温度であり、本実施形態では、燃焼器４１と空気熱交換器３１との間の燃焼ガス通路４２に燃焼器温度センサ１０５を設置し、燃焼器温度センサ１０５により検出された温度をもって燃焼器温度Ｔcmbとする。
【００３７】
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。
【００３８】
（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。
【００３９】
コントローラ５１は、運転者による起動スイッチ１０６の操作に基づき、起動スイッチ１０６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ようにプログラムされている。本実施形態において、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。
【００４０】
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。
【００４１】
Ｓ１０２では、起動制御に関わる情報として、スタック温度Ｔstk、空気流量ｍairおよび酸化剤ガス温度Ｔcthを読み込む。
【００４２】
Ｓ１０３では、燃料電池スタック１が発電可能な状態にあるか否かを判定する。具体的には、起動制御の開始後、スタック温度Ｔstkが上昇し、燃料電池スタック１の発電可能な下限温度（以下「発電開始温度」という）Ｔ１に達したか否かを判定する。スタック温度Ｔstkが発電開始温度Ｔ１に達した場合は、Ｓ１０４へ進み、達していない場合は、Ｓ１０５へ進む。発電開始温度Ｔ１は、例えば、５００℃である。
【００４３】
Ｓ１０４では、暖機時の動作モードとして、発電加熱モードを選択し、実行する。発電加熱モードは、燃料電池スタック１の発電により生じた熱量を主に利用する動作モードである。発電加熱モードにおいて、コントローラ５１は、燃料電池スタック１とバッテリまたは補機との間に介装された電力変換装置２０１（図１）を制御し、燃料電池スタック１からの出力を実行する。ここで、補機として、エアコンプレッサ６１を例示することができる。
【００４４】
Ｓ１０５では、暖機時の動作モードとして、燃焼加熱モードを選択し、実行する。燃焼加熱モードは、燃焼器４１での燃焼により生じた熱量を主に利用する動作モードである。
【００４５】
Ｓ１０６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Ｔstkが暖機完了を判定するための所定温度Ｔwupに達したか否かを判定する。スタック温度Ｔstkが所定温度Ｔwup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Ｔwup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、Ｓ１０２〜１０５の処理を繰り返し実行する。
【００４６】
図４は、発電加熱モード（図３のＳ１０４）における処理の流れを示すフローチャートである。
【００４７】
Ｓ２０１では、燃焼器４１の目標温度（以下「目標燃焼器温度」という）Ｔcmb_trgを算出する。目標燃焼器温度Ｔcmb_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、スタック温度Ｔstk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Ｔstkに、温度差ΔＴstk_setおよびΔＴahx_setを加算して算出する。ここで、温度差ΔＴstk_set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（以下「スタック入出口温度差」という）の設定値であり、温度差ΔＴahx_set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の設定値である。温度差ΔＴstk_set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ΔＴahx_set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。
【００４８】
Ｔcmb_trg＝Ｔstk＋ΔＴstk_set＋ΔＴahx_set  …（３）
Ｓ２０２では、燃料電池スタック１の目標発電量（以下「目標スタック発電量」という）Ｐstk_trgを算出する。目標スタック発電量Ｐstk_trgは、燃料電池スタック１がその温度に応じて出力可能な最大発電量に設定され、その算出は、例えば、図７に示す傾向のテーブルデータからの検索による。目標スタック発電量Ｐstk_trgは、スタック温度Ｔstkが高いときほど大きな値に設定される。
【００４９】
目標スタック発電量Ｐstk_trgの設定について付言する。図５は、燃料電池スタック１の電流電圧特性を示す。低温時における特性を細い実線Ｌｌにより、高温時または通常時における特性を太い実線Ｌｈにより、夫々示している。燃料電池スタック１は、温度の上昇とともに特性が回復し、発電可能な下限電圧Ｖｍｉｎでの電流Ｉstkも増大する。図６は、燃料電池スタック１の電流Ｉstkと発熱量Ｈstkとの関係を示す。スタック発熱量Ｈstkは、電流Ｉstkが増大するほど、換言すれば、電圧Ｖstkが減少するほど増加する傾向を有する。よって、スタック発熱量Ｈstkは、燃料電池スタック１に対し、下限電圧Ｖｍｉｎで発電を行わせた場合に最も大きくなる。図５および６に示す傾向から、図７に示す関係を得ることが可能である。
【００５０】
Ｓ２０３では、スタック入出口温度差ΔＴstkが所定値ΔＴ１以下であるか否かを判定する。スタック入出口温度差ΔＴstkは、酸化剤ガス温度Ｔcthからスタック温度Ｔstkを減じることにより算出する（ΔＴstk＝Ｔcth−Ｔstk）。スタック入出口温度差ΔＴstkが所定値ΔＴ１以下である場合は、Ｓ２０４へ進み、所定値ΔＴ１を超えている場合は、Ｓ２０５へ進む。所定値ΔＴ１は、例えば、温度差の許容上限値ΔＴstk_set（例えば、３００℃）である。
【００５１】
Ｓ２０４では、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（以下「メイン燃料流量」という）ｍfuel_mを最小メイン燃料流量ｍfuel_minに設定する。最小メイン燃料流量ｍfuel_minは、原燃料の供給流量の低下に対し、燃料電池スタック１に生じる劣化を抑制可能な下限値として、実験等を通じた適合により予め設定することが可能である。ここで、考慮すべき劣化として、燃料ガスの不足による電極の劣化（「燃料スタベーション」と呼ばれる）を例示することができる。最小メイン燃料流量ｍfuel_minの設定により、暖機に際してシステム全体に供給される原燃料の流量（以下「原燃料総流量」という）ｍfuel_ttlのうち、燃料処理部２に供給される原燃料の占める比率が最小、換言すれば、燃焼器４１に供給される原燃料の占める比率が最大となる。
【００５２】
図８は、メイン燃料流量ｍfuel_mとサブ燃料流量ｍfuel_sとの関係を、システム停止時（発電開始前）と発電時とのそれぞれについて示している。図８に示すように、発電時では、発電による消費分を補うため、システム停止前と比べて原燃料総流量ｍfuel_ttlを増大させる必要がある。そして、発電時を示す太い実線上で、最小メイン燃料流量ｍfuel_minと、次に述べる最大メイン燃料流量ｍfuel_maxと、を定めることが可能である。本実施形態では、最小メイン燃料流量ｍfuel_minを一定値とする。
【００５３】
Ｓ２０５では、メイン燃料流量ｍfuel_mを最大メイン燃料流量ｍfuel_maxに設定する。最大メイン燃料流量ｍfuel_maxは、燃料の過剰供給により燃料電池スタック１または燃焼器４１で生じる弊害を抑制可能な上限値として、実験等を通じた適合により予め設定することが可能であり、本実施形態では、図９に示す傾向のテーブルデータからの検索により、スタック発電量Ｐstkが高いときほど大きな値に設定される。最大メイン燃料流量ｍfuel_maxの設定により、原燃料総流量ｍfuel_ttlのうち、燃料処理部２に供給される原燃料の占める比率が最大となる。
【００５４】
Ｓ２０６では、燃料ガスが有する熱量のうち、燃料処理部２を流れるアノードガスによる回収分（以下「排熱回収量」という）Ｑrecを算出する。排熱回収量Ｑrecは、概して、メイン燃料流量ｍfuel_mの増大とともに増加する傾向を有することから、メイン燃料流量ｍfuel_mの関数として算出することが可能である。これに限らず、排熱回収量Ｑrecは、一定値として設定してもよい。
【００５５】
Ｓ２０７では、原燃料総流量ｍfuel_ttlを算出する。原燃料総流量ｍfuel_ttlの算出は、次式による。次式は、基本的には、第１および第２燃料インジェクタ５２、５３を通じた原燃料の供給により持ち込まれる熱量を入力とした、システム全体での熱収支が均衡することを示すものである。
【００５６】
ｍfuel_ttl＝Ａ／Ｂ  …（４．１）
Ａ＝ｍair×｛ｈair（Ｔcmb）−ｈair（Ｔstk）｝＋ｍh2c×｛ｈh2（Ｔstk）−ｈh2o（Ｔstk）｝−Ｑrec  …（４．２）
Ｂ＝（１／５）×ｈc2h5ohl（Ｔfuel）＋（４／５）×ｈh2ol（Ｔfuel）−（２／５）×ｈco2（Ｔcmb）−（７／５）×ｈh2o（Ｔcmb）＋（３／５）×ｈo2（Ｔcmb）  …（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（Ｔfuel＝２５）。
【００５７】
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。
【００５８】
ｍfuel_ttl：原燃料総流量（モル比換算値）
ｍair：空気のモル流量
ｍh2c：発電による水素消費量
Ｑrec：アノードガスの排熱回収量
Ｔstk：燃料電池スタックの出口温度
Ｔcmb：燃焼ガスの温度
Ｔfuel：原燃料の温度
ｈair（Ｔ）：空気のエンタルピ
ｈc2h5ohl（Ｔ）：エタノール（液体）のエンタルピ
ｈh2ol（Ｔ）：水（液体）のエンタルピ
ｈco2（Ｔ）：二酸化炭素のエンタルピ
ｈh2o（Ｔ）：水（気体）のエンタルピ
ｈo2（Ｔ）：酸素のエンタルピ
上式（４．２）は、燃料電池スタック１の内部における物質移動分（具体的には、発電に伴う電極間での酸素移動分２ｍh2c×ｈo2（Ｔstk））を考慮して、次のように表すことが可能である。
【００５９】
Ａ＝ｍair×｛ｈair（Ｔcmb）−ｈair（Ｔstk）｝−２ｍh2c×ｈo2（Ｔstk）＋｛２ｍh2c×ｈo2（Ｔstk）−Ｑrec−Ｑstk｝−Ｐ  …（４．２ａ）
Ｑstk：燃料電池スタック１の内部におけるアノードガスの熱量変化分
Ｐ：発電量
熱量変化分Ｑstkとして、燃料電池スタック１の発電によるアノードガスの受熱量および内部改質による吸熱量を例示することができる。
【００６０】
上式（４．１）、（４．２ａ）および（４．３）から、原燃料総流量ｍfuel_ttlを算出する。
【００６１】
ここで、原燃料総流量ｍfuel_ttlの算出に際し、次の関係が考慮されてもよい。次式は、燃料電池スタック１の入出力間でアノードガスの熱収支が均衡することを示すものである。次式により、燃料電池スタック１の内部におけるアノードガスの熱量の変化分を示す、上式（４．２ａ）の右辺第３および第４項（｛２ｍh2c×ｈo2（Ｔstk）−Ｑrec−Ｑstk｝−Ｐ）を近似することができる。
【００６２】
Ｃ＝Ｄ  …（５．１）
Ｃ＝ｍfuel_m×｛（１／５）×ｈc2h5ohl（Ｔfuel）＋（４／５）×ｈh2ol（Ｔfuel）｝＋｛２ｍh2c×ｈo2（Ｔstk）−Ｑrec−Ｑstk｝−Ｐ  …（５．２）
Ｄ＝ｍfuel_m×｛Ｆh2（Ｔstk、ｍh2c）×ｈh2（Ｔstk）＋Ｆch4（Ｔstk、ｍh2c）×ｈch4（Ｔstk）＋Ｆco（Ｔstk、ｍh2c）×ｈco（Ｔstk）＋Ｆco2（Ｔstk、ｍh2c）×ｈco2（Ｔstk）＋Ｆh2o（Ｔstk、ｍh2c）×ｈh2o（Ｔstk）｝  …（５．３）
Ｆ：エタノール１ｍｏｌ当たりの燃料ガスの組成
Ｆ（Ｔ、ｍh2c）：燃料電池スタックの内部における物質移動分を考慮した燃料ガスの組成
Ｓ２０８では、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（以下「サブ燃料流量」という）ｍfuel_sを算出する。具体的には、原燃料総流量ｍfuel_ttlからメイン燃料流量ｍfuel_mを減じることによる（ｍfuel_s＝ｍfuel_ttl−ｍfuel_m）。
【００６３】
コントローラ５１は、メイン燃料流量ｍfuel_mおよびサブ燃料流量ｍfuel_sに応じた指令信号を設定し、第１燃料インジェクタ５２、第２燃料インジェクタ５３の駆動回路に出力する。
【００６４】
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「供給制御部」を構成し、コントローラ５１が「発電制御部」を構成する。具体的には、図３に示すフローチャートのＳ１０４の処理（電力変換装置の制御）として「発電制御部」の機能が具現され、図３に示すフローチャートのＳ１０２〜１０４および図４に示すフローチャート全体の処理として「供給制御部」の機能が具現される。そして、図３に示すフローチャートのＳ１０２および図４に示すフローチャートのＳ２０１〜２０７の処理として「暖機時目標流量設定部」の機能が具現され、図４に示すフローチャートのＳ２０１の処理として「目標燃焼ガス温度設定部」の機能が具現され、図３に示すＳ１０２の処理として「燃料電池温度検出部」の機能が具現される。さらに、図４に示すフローチャートのＳ２０４に示す処理の実行時が「第２供給モード」に相当し、Ｓ２０５に示す処理の実行時が「第１供給モード」に相当する。
【００６５】
（燃料電池システムの動作説明）
図１０〜１２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。
【００６６】
図１０は、起動時（燃料電池スタック１の発電開始前）における動作を示し、図１１は、起動時の発電開始後における動作を示し、図１２は、起動後の通常時における動作を示している。図１０〜１２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。
【００６７】
図１３は、燃料電池システムＳの起動時（ＰＲＤ１〜ＰＲＤ４）における動作をタイムチャートにより示し、同図上段は、燃焼器温度Ｔcmb、改質器温度Ｔrefおよびスタック温度Ｔstkの変化を、同図下段は、燃料流量ｍfuelの変化を、夫々示している。下段のタイムチャートにおいて、メイン燃料流量ｍfuel_mを実線により示し、サブ燃料流量ｍfuel_sを点線により示している。期間ＰＲＤ１は、改質器２３が改質可能な状態にない期間を示し、期間ＰＲＤ２〜ＰＲＤ４は、改質器２３が改質可能な状態にある期間を示している。そして、期間ＰＲＤ１〜ＰＲＤ３は、燃料電池スタック１が発電可能な状態にない期間を示し、期間ＰＲＤ４は、燃料電池スタック１が発電可能な状態にある期間を示している。
【００６８】
図１３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。
【００６９】
起動制御全体を通じて、燃焼器４１の温度（燃焼器温度Ｔcmb）が燃焼器上限温度Ｔcmb_max以下に制限される。燃焼器温度Ｔcmbの制限は、例えば、図４に示すＳ２０１の処理により設定される目標燃焼器温度Ｔcmb_trgを燃焼器上限温度Ｔcmb_max以下に制限することによる。燃焼器上限温度Ｔcmb_maxとして、燃焼器４１に備わる触媒（例えば、酸化触媒）の劣化を抑制可能な上限温度を例示することができる。
【００７０】
起動制御の開始後、改質器温度Ｔrefが改質器下限温度Ｔref_minに達していない期間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１０）。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Ｔstkが上昇する（図１３）。燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガス（酸化剤ガス）は、カソードオフガス通路１２ｅｘｈを介して燃焼器４１に導かれ、カソードオフガス中の残酸素が原燃料の酸化剤として用いられる。
【００７１】
改質器温度Ｔrefが改質器下限温度Ｔref_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。スタック温度Ｔstkに応じた原燃料総流量ｍfuel_ttlが定格流量ｍfuel_rtdよりも大きい期間ＰＲＤ２（図１３）では、定格流量ｍfuel_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ｍfuel_rtdの原燃料総流量ｍfuel_ttlに対する不足分（＝ｍfuel_ttl−ｍfuel_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。
【００７２】
そして、改質器温度Ｔrefがさらに上昇し、原燃料総流量ｍfuel_ttlが定格流量ｍfuel_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ｍfuel_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１３、期間ＰＲＤ３）。
【００７３】
その後、スタック温度Ｔstkが発電開始温度Ｔ１（例えば、５００℃）に達すると（時刻ｔ３）、燃料電池スタック１に発電を行わせ、第１および第２燃料インジェクタ５２、５３の双方を通じて原燃料を供給する。具体的には、燃料電池スタック１と電力変換装置２０１（図２）との間に設けられるジャンクションボックスのスイッチ回路（図示せず）を閉成し、燃料電池スタック１からの出力を開始するとともに、スタック入出口温度差ΔＴstkに応じた流量（最小メイン燃料流量ｍfuel_minまたは最大メイン燃料流量ｍfuel_max）の原燃料を、第１燃料インジェクタ５２を通じて供給する一方、原燃料総流量ｍfuel_ttlに対する不足分の原燃料を、第２燃料インジェクタ５３を通じて供給する。これにより、燃料電池スタック１の発電による自己発熱を積極的に利用して暖機の促進を図りながら、燃焼器４１により生成される燃焼ガスをその目標温度に制御して、改質に必要な熱量を賄い、併せて、燃焼ガスの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。ここで、メイン燃料流量ｍfuel_mは、スタック温度Ｔstkの上昇とともに増大するが、定格流量ｍfuel_rtdを超える上昇が制限される（時刻ｔ４）。つまり、暖機時では、定格流量ｍfuel_rtdを超える原燃料総流量ｍfuel_ttlの増大が許容されるものの、メイン燃料流量ｍfuel_mは、定格流量ｍfuel_rtd以下に制限される。
【００７４】
そして、スタック温度Ｔstkが暖機完了の判定温度Ｔwup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。
【００７５】
（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。
【００７６】
第１に、燃料電池システムＳの起動に際し、燃料電池スタック１が発電可能な状態にあるか否か、具体的には、スタック温度Ｔstkが発電開始温度Ｔ１に達したか否かを判定し、スタック温度Ｔstkが発電開始温度Ｔ１に達した場合に、燃料電池スタック１に発電を行わせ、第１および第２燃料インジェクタ５２、５３の双方を通じて原燃料を供給することとした。これにより、発電による燃料電池スタック１自体の発熱量に加え、燃焼ガスの熱量を利用することが可能となり、暖機の進行に伴う燃料流量（原燃料総流量ｍfuel_ttl）の増大に対し、燃料処理部（例えば、改質器２３）および燃焼器４１の大型化を抑えながら、大きな熱量により燃料電池スタック１を加熱し、迅速な暖機を実現することができる。
【００７７】
第２に、原燃料総流量ｍfuel_ttlの設定に、燃焼ガスの熱量に加え、アノードガスの排熱回収量Ｑrecおよび燃料電池スタック１の発電量Ｐstkを考慮することで、燃焼器４１に対する原燃料の供給流量（サブ燃料流量ｍfuel_s）の適切な設定を可能とし、燃焼ガスの温度が過度に上昇するのを防止することができる。これにより、燃焼器４１の劣化を抑制するとともに、スタック入出口温度差ΔＴstkの拡大により燃料電池スタック１に過剰な熱負荷がかかるのを回避することができる。
【００７８】
第３に、目標燃焼器温度Ｔcmb_trgをスタック温度Ｔstkに基づき設定することで、目標燃焼器温度Ｔcmb_trgを暖機の進行状況に応じて適切に設定することが可能となる。さらに、目標燃焼器温度Ｔcmb_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できる。
【００７９】
第４に、原燃料総流量ｍfuel_ttlのうちメイン燃料流量ｍfuel_mの占める比率をスタック入出口温度差ΔＴstkに応じて切り換えることとし、具体的には、スタック入出口温度差ΔＴstkが相対的に小さい場合は、当該比率を低下させる最小メイン燃料流量ｍfuel_minを設定する一方（Ｓ２０４）、スタック入出口温度差ΔＴstkが相対的に大きい場合は、当該比率を増大させる最大メイン燃料流量ｍfuel_maxを設定することで（Ｓ２０５）、スタック入出口温度差ΔＴstkの拡大を抑制しつつ、アノードガスによる排熱回収を促し、暖機の促進を図ることができる。
【００８０】
具体的には、スタック入出口温度差ΔＴstkが小さい場合は、メイン燃料流量ｍfuel_mを最小値（ｍfuel_min）に設定することで、排熱回収量Ｑrecの減少を通じてサブ燃料流量ｍfuel_sを増大させ（式（４．２ａ））、燃焼ガスを高い温度に維持することが可能となる。これにより、酸化剤ガスを媒体とする燃料電池スタック１の加熱を促し、暖機の促進を図ることができる。他方で、スタック入出口温度差ΔＴstkが大きい場合は、メイン燃料流量ｍfuel_mを最大値（ｍfuel_max）に設定することで、排熱回収量Ｑrecの増大により暖機の進行を維持しつつ、燃焼ガスが有する熱量の減少により酸化剤ガスを媒体とよる燃焼電池スタック１の加熱を抑制し、スタック入出口温度差ΔＴstkの拡大を抑制することができる。
【００８１】
第５に、燃料電池スタック１に対し、スタック温度Ｔstkに応じた下限電圧Ｖstk_minで発電を行わせることで、燃料電池スタック１の発電による発熱量Ｈstkを最大として、暖機の促進を図り、起動に要する時間を短縮することが可能となる。
【００８２】
（他の実施形態の説明）
以下、本発明の他の実施形態について説明する。
【００８３】
図１４は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの起動制御（発電加熱モード）の流れを示している。
【００８４】
本実施形態において、システム全体の構成は、図２に示す先の実施形態におけると同様であってよく、コントローラ５１は、起動スイッチ１０６から起動要求信号を入力すると、起動制御を開始し、図３に示すのと同様の流れにより、発電加熱モードか燃焼加熱モードかを選択する。
【００８５】
発電加熱モードが選択された場合に、Ｓ３０１では、スタック温度Ｔstkをもとに目標スタック発電量Ｐstk_trgを算出する。具体的には、図４に示すフローチャートのＳ２０２と同様の処理による。
【００８６】
Ｓ３０２では、Ｓ２０３と同様の処理により、スタック入出口温度差ΔＴstkが所定値ΔＴ１以下であるか否かを判定する。所定値ΔＴ１以下である場合は、Ｓ３０３へ進み、所定値ΔＴ１を超えている場合は、Ｓ３０４へ進む。
【００８７】
Ｓ３０３および３０４では、目標燃焼器温度Ｔcmb_trgを算出する。例えば、Ｓ３０３では、燃焼器４１の過度な昇温を抑制するための温度として、燃料電池スタック１の出口温度（例えば、スタック温度Ｔstk）をもとに算出し、Ｓ３０４では、スタック入出口温度差ΔＴstkの拡大を抑制するための温度として、燃料電池スタック１の入口温度（例えば、酸化剤ガス温度Ｔcth）をもとに算出することが可能である。
【００８８】
本実施形態において、Ｓ３０３では、目標燃焼器温度Ｔcmb_trgを、スタック温度Ｔstkに応じた温度として図１５に示す傾向のテーブルデータからの検索により算出する。目標燃焼器温度Ｔcmb_trgは、スタック温度Ｔstkが高いときほど大きな値に設定される。
【００８９】
Ｓ３０４では、酸化剤ガス温度Ｔｃｔｈを与える温度として予め設定された目標燃焼器温度Ｔcmb_trgを算出する。Ｓ３０３におけると同様にテーブルデータからの検索によることで、演算時間の短縮を図ることが可能である。
【００９０】
Ｓ３０５では、原燃料総流量ｍfuel_ttlを算出する。本実施形態では、目標燃焼器温度Ｔcmb_trgと燃焼器温度Ｔcmb（燃焼器温度センサ１０５により検出される温度）との差分を図示しないＰＩ制御器等のフィードバック制御器に入力し、差分を０に近付ける補正量を原燃料総流量ｍfuel_ttlに加算する。
【００９１】
Ｓ３０６では、原燃料総流量ｍfuel_ttlが定格流量ｍfuel_rtd以上であるか否かを判定する。原燃料総流量ｍfuel_ttlが定格流量ｍfuel_rtd以上である場合は、Ｓ３０７へ進み、定格流量ｍfuel_rtd未満である場合は、Ｓ３０８へ進む。
【００９２】
Ｓ３０７では、メイン燃料流量ｍfuel_mを定格流量ｍfuel_rtdに設定する。
【００９３】
Ｓ３０８では、メイン燃料流量ｍfuel_mを原燃料総流量ｍfuel_ttlに設定する。
【００９４】
Ｓ３０９では、原燃料総流量ｍfuel_ttlからメイン燃料流量ｍfuel_mを減じることで、サブ燃料流量ｍfuel_sを算出する。
【００９５】
本実施形態によれば、燃料流量ｍfuel_m、ｍfuel_sの計算を簡素化しつつ、迅速な暖機の実現に資することが可能である。
【００９６】
以上の説明では、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カソードオフガス通路１２ｅｘｈを介して供給されるように構成した。これにより、燃焼器４１に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。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に酸化剤が直接供給されるように構成してもよい。さらに、燃焼器４１に酸化剤を供給するための手段は、カソードガス給排系とは独立に設けることも可能である。
【００９７】
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。
【図１】
2019064539.tif 000003
【図２】
2019064539.tif 000004
【図３】
2019064539.tif 000005
【図４】
2019064539.tif 000006
【図５】
2019064539.tif 000007
【図６】
2019064539.tif 000008
【図７】
2019064539.tif 000009
【図８】
2019064539.tif 000010
【図９】
2019064539.tif 000011
【図１０】
2019064539.tif 000012
【図１１】
2019064539.tif 000013
【図１２】
2019064539.tif 000014
【図１３】
2019064539.tif 000015
【図１４】
2019064539.tif 000016
【図１５】
2019064539.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月19日(2018.4.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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供給制御部と、
前記燃料電池の前記暖機時における発電状態を制御する発電制御部と、
を備え、
前記燃料電池がその発電可能温度に達した場合に、
前記発電制御部は、前記燃料電池に発電を行わせ、
前記供給制御部は、前記燃料処理部および前記燃焼器に対し、暖機後の定格運転における前記原燃料の供給流量よりも大きい流量の前記原燃料を振り分けて供給する、
燃料電池システム。
【請求項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、前記燃料電池の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、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供給制御部と、
前記燃料電池の前記暖機時における発電状態を制御する発電制御部と、
を備え、
前記発電制御部は、前記燃料電池がその発電可能温度に達した場合に、前記燃料電池に発電を行わせ、
前記供給制御部は、
前記燃料電池の暖機時における前記原燃料の目標流量として、前記燃料電池の温度に応じた暖機時目標流量を設定する暖機時目標流量設定部を備え、
前記燃料電池が前記発電可能温度に達した場合に、暖機後の定格運転における前記原燃料の供給流量よりも大きい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に振り分けて供給する、
燃料電池システム。
【請求項３】
前記暖機時目標流量設定部は、
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を有し、
前記暖機時目標流量と、前記燃焼ガスの熱量と、前記燃料処理部を流れるアノードガスの排熱回収量と、前記燃料電池の発電量と、の関係を示す関係式が設定され、
前記目標燃焼ガス温度に基づき、前記関係式を介して前記暖機時目標流量を設定する、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記暖機時目標流量設定部は、
前記燃焼ガスの目標温度を設定する目標燃焼ガス温度設定部と、
前記燃焼ガスの温度を検出する燃焼ガス温度検出部と、を有し、
前記燃焼ガスの目標温度および検出温度に基づき、前記暖機時目標流量を設定する、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記暖機時目標流量設定部は、
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出部をさらに有し、
前記燃料電池の温度に基づき、前記燃焼ガスの目標温度を設定する、
請求項３または４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記供給制御部は、前記暖機時目標流量のうち前記燃料処理部に供給される前記原燃料の占める比率を、前記燃料電池の入出力間における温度差の拡大に対して増大させる、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記供給制御部は、
前記暖機時目標流量のうち前記燃料処理部に供給される前記原燃料の占める比率が相対的に高い第１供給モードと、前記燃焼器に供給される前記原燃料の占める比率が相対的に高い第２供給モードと、を切換可能に構成され、
前記燃料電池の入出力間における温度差が所定値以下の場合は、前記第２供給モードを選択し、前記温度差が前記所定値を超えている場合は、前記第１供給モードを選択する、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記暖機時に前記燃料処理部に供給される前記原燃料の流量は、暖機後の通常時に設定される前記原燃料の目標流量以下である、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記発電制御部は、前記燃料電池に対し、前記燃料電池の温度に応じた下限電圧で発電を行わせる、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
原燃料の処理により生じた燃料ガスを燃料電池に供給して発電を行う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、
前記燃料電池が発電可能な状態にあるか否かを判定し、
前記燃料電池が発電可能な状態にある場合に、
前記原燃料を処理して前記燃料電池に発電を行わせ、発電により生じた熱量により前記燃料電池を加熱するとともに、
前記原燃料を燃焼させ、前記原燃料の燃焼により生じた燃焼ガスを熱源として前記燃料電池を加熱し、
前記原燃料の処理および燃焼に対し、前記燃料電池の定格運転に要する前記原燃料の供給流量よりも大きい流量の前記原燃料を振り分ける、
燃料電池システムの制御方法。
【国際調査報告】
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