(57)【要約】  燃料電池システムの制御方法によれば、燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池と、燃料を少なくとも改質することでアノードガスを生成し、生成したアノードガスを燃料電池に供給する燃料処理器と、供給される燃料を燃焼させて燃料処理器の暖機を行う燃焼器と、を備え、燃料電池システムは少なくともシステム起動時における前記暖機が行われる間において制御される。燃料電池システムの制御方法は、カソードガスを燃料処理器に供給するカソードガス供給ステップと、燃料処理器を通過するガスの温度が改質可能温度を上回るか否かを判定する判定ステップと、ガスの温度が改質可能温度を上回ると判定される場合に、燃料処理器へのカソードガスの供給量を減少させるカソードガス減少ステップと、燃料を燃料処理器に供給する燃料供給ステップと、を有する。
2019026146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池と、燃料を少なくとも改質することで前記アノードガスを生成し、生成した前記アノードガスを前記燃料電池に供給する燃料処理器と、供給される前記燃料を燃焼させて前記燃料処理器の暖機を行う燃焼器と、を備える燃料電池システムを、少なくともシステム起動時における前記暖機が行われる間において制御する、燃料電池システムの制御方法であって、
前記カソードガスを前記燃料処理器に供給するカソードガス供給ステップと、
前記燃料処理器を通過するガスの温度が改質可能温度を上回るか否かを判定する判定ステップと、
前記ガスの温度が前記改質可能温度を上回ると判定される場合に、前記燃料処理器への前記カソードガスの供給量を減少させるカソードガス減少ステップと、
前記燃料を前記燃料処理器に供給する燃料供給ステップと、を有する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記カソードガス減少ステップにおいて、前記燃料処理器への前記カソードガスの供給を停止する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料供給ステップによって前記燃料の供給が開始された後に所定の待機時間経過する場合に、前記燃料処理器への前記カソードガスの供給量を増加させるカソードガス増加ステップを、さらに有する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料は、液体燃料であり、
前記燃料処理器は、前記液体燃料を蒸発させて燃料ガスを生成する蒸発器と、前記燃料ガスを改質することで前記アノードガスを生成する改質器と、を備え、
前記所定の待機時間は、前記燃料供給ステップによって前記液体燃料の供給が開始されてから前記蒸発器から前記改質器に供給される前記燃料ガスの流量が閾値を上回るまでの時間である、燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記液体燃料の温度が高くなるほど前記待機時間を短く設定する、待機時間設定ステップを、さらに有する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記判定ステップにおいては、前記ガスの温度が前記改質可能温度を上回り、かつ、前記蒸発器の温度が前記燃料の気化可能温度を上回るかを判定し、
前記ガスの温度が前記改質可能温度を上回り、かつ、前記ガスの温度が前記改質可能温度を上回ると判定される場合に、前記カソードガス減少ステップにおいて、前記燃料処理器への前記カソードガスの供給量を減少させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記ガスの温度が、前記改質可能温度よりも高い暖機完了温度を上回る場合には、前記燃料処理器への前記カソードガスの供給を停止するカソードガス停止ステップを、さらに有する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池と、燃料を少なくとも改質することで前記アノードガスを生成し、生成した前記アノードガスを前記燃料電池に供給する燃料処理器と、供給される前記燃料を燃焼させて前記燃料処理器の暖機を行う燃焼器と、前記燃料処理器及び前記燃焼器に前記燃料を送りだす燃料供給部と、前記カソードガスを前記燃料処理器に供給するカソードガス供給部と、少なくともシステム起動時における前記暖機が行われる間において、前記燃料供給部及び前記カソードガス供給部を制御するコントローラと、を備える燃料電池システムであって、
前記コントローラは、
前記カソードガス供給部に、前記カソードガスを前記燃料処理器へと供給させ、
前記燃料処理器を通過するガス温度が改質可能温度を上回るか否かを判定し、
前記ガス温度が前記改質可能温度を上回ると判定される場合に、前記カソードガス供給部に、前記燃料処理器への前記カソードガスの供給量を減少させ、
前記燃料供給部に、前記燃料を前記燃料処理器に供給させる、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの制御方法、及び、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、アノードガスとカソードガス（空気）との供給を受け、比較的高温で動作することが知られている。このような燃料電池を備える燃料電池システムにおいては、少なくとも燃料を改質する燃料処理器が設けられており、燃料処理器は、改質可能な温度にまで暖機された後に、燃料ガスを改質してアノードガスを生成する。【０００３】
燃料処理器が改質可能温度に到達したか否かを判定するために、燃料処理器の出口近傍に温度センサが設けることにより、燃料処理器の温度を取得する場合には、燃料ガスの供給前からカソードガスを供給する必要がある。燃料ガスの供給前からカソードガスが供給されると、ＰＯＸ（Ｐａｒｔｉａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：部分酸化）改質が行われることが知られている。燃料電池システムの中には、ＰＯＸ改質が発熱反応である性質を利用して、システム起動時の燃料処理器の暖機を行うものもある（ＷＯ２０１３／０３５７７１Ａ１）。
【発明の概要】
【０００４】
燃料ガスの供給前からカソードガスを供給する場合には、燃料ガスが供給されるタイミングでは燃料ガスに比べて酸素が過剰な状態になる。そのため、燃料ガスと酸素との反応が進行しやすくなり、燃料処理器において局所的に温度が過剰に上昇してしまい、燃料処理器の改質性能が劣化するおそれがある。そこで、システム起動時の暖機処理中における過剰な温度上昇を抑制する燃料電池システムの検討が必要であった。
【０００５】
本発明の目的は、起動時における過剰な温度上昇を抑制する燃料電池システムの制御方法、及び、燃料電池システムを提供することである。
【０００６】
本発明の一態様の燃料電池システムの制御方法によれば、燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池と、燃料を少なくとも改質することでアノードガスを生成し、生成したアノードガスを燃料電池に供給する燃料処理器と、供給される燃料を燃焼させて燃料処理器の暖機を行う燃焼器と、を備え、燃料電池システムは少なくともシステム起動時における前記暖機が行われる間において制御される。燃料電池システムの制御方法は、カソードガスを燃料処理器に供給するカソードガス供給ステップと、燃料処理器を通過するガスの温度が改質可能温度を上回るか否かを判定する判定ステップと、ガスの温度が改質可能温度を上回ると判定される場合に、燃料処理器へのカソードガスの供給量を減少させるカソードガス減少ステップと、燃料を燃料処理器に供給する燃料供給ステップと、を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１実施形態における燃料電池システムのブロック図である。
【図２】図２は、暖機制御のフローチャートである。
【図３】図３は、燃料ガス及びカソードガスの流量と、出口温度との変化を示す図である。
【図４】図４は、燃料及び燃料ガスの流量の変化を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図４の時刻ｔ３における蒸発器の構成図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４の時刻ｔ４における蒸発器の構成図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図４の時刻ｔ５ａにおける蒸発器の構成図である。
【図６】図６は、従来技術における暖機制御のフローチャートである。
【図７】図７は、カソードガス及び燃料ガスの流量、空気過剰率、及び、出口温度の変化を示す図である。
【図８】図８は、空気過剰率と出口温度との関係を示す図である。
【図９】図９は、改質器の概略構成図である。
【図１０】図１０は、改質器の各部における温度の変化を示す図である。
【図１１】図１１は、第２実施形態における待機時間と液体燃料温度との関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、暖機制御のフローチャートである。
【図１３】図１３は、第３実施形態における暖機制御のフローチャートである。
【図１４】図１４は、第４実施形態における燃料電池システムのブロック図である。
【図１５】図１５は、燃料ガス及びカソードガスの流量と、出口温度との変化を示す図である。
【図１６】図１６は、燃料ガス及びカソードガスの流量と、出口温度との変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、添付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。
【０００９】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）システムの主要構成を示すブロック図である。
【００１０】
ＳＯＦＣである燃料電池スタック１は、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層を、燃料であるアノードガス（燃料ガス）が供給されるアノード電極（燃料極）と、酸素を含む空気がカソードガス（酸化ガス）として供給されるカソード極（空気極）により挟み込んで構成されたセルを積層したものである。燃料電池スタック１では、アノードガス中に含まれる水素などの燃料とカソードガス中の酸素とを反応させて発電を行い、反応後のアノードガス（アノードオフガス）と反応後のカソードガス（カソードオフガス）を排出する。
【００１１】
燃料電池スタック１を備える固体酸化物型燃料電池システム（以後、燃料電池システムと称す）１００には、燃料電池スタック１にアノードガスを供給する燃料供給系統と、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する空気供給系統と、燃料電池システム１００外に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が設けられている。なお、燃料電池システム１００は、燃料電池を備える発電装置の一例である。
【００１２】
燃料供給系統は、燃料タンク２や、燃料処理器３などを含む。なお、燃料処理器３は、蒸発器３１、加熱器３２、及び、改質器３３により構成されている。空気供給系統は、カソードコンプレッサー４、空気熱交換器５を含む。排気系統は、排気燃焼器６を含む。また、燃料電池システム１００は、システム全体の動作を制御するコントローラ７を備えている。コントローラ７は、燃料電池システム１００の各構成、モータ、及び、弁などを制御することで、燃料電池システム１００を制御する。
【００１３】
以下では、それぞれの系統について詳細に説明する。まず、燃料供給系統の詳細について説明する。
【００１４】
燃料供給系統においては、燃料タンク２に蓄えられている含水エタノールなどの燃料が、燃料タンク２に併設されたポンプ２Ａを用いて、経路１０１に送り出される。経路１０１は２つの経路１０２、１０３に分岐し、経路１０２にはポンプ１０２Ａが、経路１０３にはポンプ１０３Ａが設けられている。なお、経路１０１には、燃料の温度を測定する燃料温度計１０１Ｔが設けられている。なお、ポンプ２Ａ、１０２Ａ、１０３Ａは、燃料供給部の一例である。
【００１５】
経路１０２を介して燃料タンク２から送り出された燃料は、蒸発器３１に供給される。蒸発器３１は、排気燃焼器６からの排気ガスの熱を利用して、液体の燃料を気化させて燃料ガスを生成する。
【００１６】
蒸発器３１において生成される燃料ガスは、経路１０４を介して加熱器３２に到達する。加熱器３２は、排気燃焼器６と隣接して設けられており、排気燃焼器６の燃焼熱を利用して、燃料ガスを改質器３３にて改質できる温度までさらに加熱することで暖機を行うことができる。
【００１７】
加熱器３２にて加熱された燃料ガスは、改質器３３に到達すると、触媒反応によってアノードガスに改質される。そして、アノードガスは、改質器３３から経路１０５を介して燃料電池スタック１のアノード電極に供給される。
【００１８】
なお、加熱器３２には、空気供給系統からカソードガスが供給されており、加熱器３２に供給されるカソードガスは改質器３３へと到達する。燃料電池システム１００の起動直後においては、改質器３３においては燃料ガスとカソードガスとが反応し発熱反応が進行する。なお、起動直後においては、排気燃焼器６における発熱量が少ないため、改質器３３における発熱反応によっても、改質器３３の暖機が行われる。
【００１９】
また、経路１０５には温度計１０５Ｔが設けられており、改質器３３を通過するアノードガスやカソードガスのガス温度を測定することができる。なお、温度計１０５Ｔによっては改質器３３の出口の温度が測定されることになるので、以下において、温度計１０５Ｔにより測定される温度を出口温度Ｔｒｅｆと称して説明する。一方、経路１０３を介して燃料タンク２から送り出される燃料は、排気燃焼器６に供給される。排気燃焼器６の詳細な説明は、後の排気系統の説明において行う。なお、例えば、燃料が含水エタノールである場合には、アノードガスは、メタン、水素、一酸化炭素などを含んでいる。
【００２０】
次に、空気供給系統の詳細について説明する。
【００２１】
空気供給系統においては、外部から取り込まれたカソードガスである空気は、カソードコンプレッサー４によって経路１１１から燃料電池システム１００に供給される。経路１１１は、２つの経路１１２、１１３に分岐しており、経路１１２には弁１１２Ａが、経路１１３には弁１１３Ａが設けられている。カソードコンプレッサー４は、カソードガス供給部の一例である。
【００２２】
カソードコンプレッサー４から、経路１１１、１１２を介して送り出されたカソードガスは、空気熱交換器５に到達する。
【００２３】
空気熱交換器５は、排気燃焼器６からの排気ガスの熱を利用して、カソードガスを加熱する。加熱されたカソードガスは、経路１１３を介して燃料電池スタック１に供給される。このようにして、燃料電池スタック１には、燃料供給系統からアノードガスが供給されるとともに、空気供給系統からカソードガスが供給される。
【００２４】
一方、カソードコンプレッサー４から、経路１１１、１１３を介して送り出されたカソードガスは、加熱器３２に供給される。
【００２５】
次に、排気系統の詳細について説明する。
【００２６】
燃料電池スタック１からは、経路１２１を介してアノードオフガスが排出され、経路１２２を介してカソードオフガスが排出される。アノードオフガス及びカソードオフガスは、排気燃焼器６において酸化触媒反応によって燃焼されて、排気ガスとして排出される。燃焼に伴って発生する熱は、排気燃焼器６に隣接する加熱器３２や改質器３３に伝達される。排気ガスは、経路１２３を介して蒸発器３１に到達した後に、経路１２４を介して空気熱交換器５に到達する。そして、排気ガスは、空気熱交換器５から経路１２５を介して燃料電池システム１００の外部に排出される。
【００２７】
排気燃焼器６は、アルミナなどのセラミック材料により構成されており、アノードオフガスとカソードオフガスを混合し、その混合ガスを酸化触媒によって燃焼させ、二酸化炭素や水を主成分とする排気ガスを生成する。このようにして、排気燃焼器６は、燃料電池スタック１からの排気に含まれる未燃ガスを燃焼させる。
【００２８】
しかしながら、燃料電池システム１００の起動直後などにおいては、排気にほとんど未燃ガスが含まれておらず、十分な燃焼を行うことができない。そこで、排気燃焼器６に経路１０３を介して燃料を供給することにより、排気燃焼器６を燃焼させることで暖機を行うことができる。
【００２９】
なお、排気系統については、排気燃焼器６からの排気が、蒸発器３１、空気熱交換器５の順に通り、燃料電池システム１００外へと排出される例について説明したが、これに限らない。たとえば、燃料処理器３において、蒸発器３１と加熱器３２とが離間するように設けられている場合には、排気燃焼器６からの排気が空気熱交換器５、蒸発器３１の順に通り燃料電池システム１００外へと排出されるように構成されてもよい。
【００３０】
コントローラ７は、燃料電池システム１００の各構成や各系統における弁などを制御することで、燃料電池システム１００全体を制御する。なお、コントローラ７は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ７は、プログラムを記憶しており、記憶しているプログラムを実行することで、後述する暖機制御や通常の発電制御などを実行する。
【００３１】
ここで、燃料電池システム１００の暖機制御ついて、図２のフローチャートを用いて説明する。この暖機制御は、燃料電池システム１００の起動時に行われる。
【００３２】
図２は、燃料電池システム１００の暖機制御のフローチャートである。
【００３３】
ステップＳ１においては、システム起動と、カソードガス供給ステップとが行われる。
【００３４】
システム起動において、コントローラ７は、カソードコンプレッサー４を起動させるとともに、弁１１２Ａを開く。このようにすると、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給が開始される。同時に、コントローラ７は、ポンプ２Ａ、及び、ポンプ１０３Ａを駆動して、排気燃焼器６への燃料の供給を開始する。排気燃焼器６が供給された燃料を燃焼すると、加熱器３２、及び、改質器３３の加熱が開始される。
【００３５】
システム起動の後に、カソードガス供給ステップが行われる。コントローラ７は、弁１１３Ａを開き、加熱器３２へのカソードガスの供給を開始させる。
【００３６】
次に、ステップＳ２において、判定ステップが実行される。コントローラ７は、温度計１０５Ｔにより測定される燃料処理器３の出口温度Ｔｒｅｆが改質可能温度Ｔｒｅｆ１を上回っているか否かを判定する。改質可能温度Ｔｒｅｆ１は改質器３３において改質が可能な下限温度であり、改質器３３は、改質可能温度Ｔｒｅｆ１よりも高い温度において改質を開始することができる。
【００３７】
出口温度Ｔｒｅｆが改質可能温度Ｔｒｅｆ１を上回る場合には（Ｓ２：Ｙｅｓ）、コントローラ７は、改質を開始するために、次に、ステップＳ３の処理を行う。出口温度Ｔｒｅｆが改質可能温度Ｔｒｅｆ１以下である場合には（Ｓ２：Ｎｏ）、コントローラ７は、ステップＳ１に戻って処理を行う。
【００３８】
次に、ステップＳ３においては、カソードガス減少ステップが行われる。コントローラ７は、弁１１３Ａの開弁量を小さくして、加熱器３２、及び、改質器３３へのカソードガスの供給量を減少させる。なお、コントローラ７は、弁１１３Ａを閉じて、カソードガスの供給を停止してもよい。そして、コントローラ７は、次に、ステップＳ４の処理を行う。
【００３９】
ステップＳ４においては、燃料供給ステップが行われる。コントローラ７は、ポンプ１０２Ａを駆動させて、燃料タンク２から蒸発器３１への燃料の供給を開始する。燃料が蒸発器３１に流入すると、蒸発器３１において燃料が気化して燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、加熱器３２へ流入して加熱された後に、改質器３３にてアノードガスへと改質される。そして、アノードガスは、経路１０５を経て燃料電池スタック１に供給される。
【００４０】
次に、ステップＳ５においては、コントローラ７はステップＳ４の実行後に待機時間ｔａｉｒだけ経過したか否かを判定する。ここで、蒸発器３１における燃料ガスの生成量は、ステップＳ４の実行直後では立ち上がりが遅く、徐々に大きくなる。そこで、予め、蒸発器３１への燃料供給の開始から、蒸発器３１にて生成される燃料ガスの流量が十分な量である閾値を上回るまでの時間を求めておき、その時間を待機時間ｔａｉｒとして用いる。
【００４１】
待機時間ｔａｉｒ経過している場合には（Ｓ５：Ｙｅｓ）、コントローラ７は、次にステップＳ６を実行する。待機時間ｔａｉｒ経過していない場合には（Ｓ５：Ｎｏ）、コントローラ７は、ステップＳ４に戻って処理を続ける。
【００４２】
ステップＳ６においては、カソードガス増加ステップが実行される。コントローラ７は、弁１１３Ａの開弁量を大きくし、加熱器３２、及び、改質器３３へのカソードガスの供給量を増加させる。なお、ステップＳ３において弁１１３Ａが閉じられる場合には、コントローラ７は、弁１１３Ａを開く。この状態においては、改質器３３に燃料ガスとカソードガスとが供給されるので、燃料ガスとアノードガスとが反応し、出口温度Ｔｒｅｆはさらに上昇する。
【００４３】
次に、ステップＳ７においては、コントローラ７は、出口温度Ｔｒｅｆが暖機完了温度Ｔｒｅｆ２を上回ったか否かを判定する。暖機完了温度Ｔｒｅｆ２は改質器３３が改質を適切に行うことができる温度であり、コントローラ７は、改質器３３が暖機完了温度Ｔｒｅｆ２に到達すると暖機制御を終了する。なお、暖機完了温度Ｔｒｅｆ２は、改質可能温度Ｔｒｅｆ１よりも高いものとする。
【００４４】
出口温度Ｔｒｅｆが暖機完了温度Ｔｒｅｆ２を上回る場合には（Ｓ７：Ｙｅｓ）、コントローラ７は、暖機運転を終了させるために、次に、ステップＳ８の処理を行う。一方、出口温度Ｔｒｅｆが暖機完了温度Ｔｒｅｆ２以下である場合には（Ｓ７：Ｎｏ）、コントローラ７は、ステップＳ６に戻って処理を行う。
【００４５】
ステップＳ８においては、カソードガス停止ステップが行われる。コントローラ７は、弁１１３Ａを閉じると、加熱器３２、及び、改質器３３へのカソードガスの供給を停止して、暖気制御を終了させる。また、コントローラ７は、モータ１０３Ａを停止して排気燃焼器６への燃料の供給を停止させてもよい。コントローラ７は、以降においては通常の燃料電池スタック１の発電制御を行う。
【００４６】
次に、図２の暖機制御が行われる場合の、改質器３３へと供給される燃料ガスの流量、及び、カソードガスの流量について、図３を用いて説明する。
【００４７】
図３は、図２の暖機制御が行われる場合に、改質器３３へ供給される燃料ガス、及び、カソードガスの流量と、出口温度Ｔｒｅｆとの経時的な変化を示す図である。図３（ａ）には、ｘ軸に時間が示され、ｙ軸に燃料ガス及びカソードガスの流量が示されている。図３（ｂ）には、ｘ軸に時間が示され、ｙ軸に出口温度Ｔｒｅｆが示されている。なお、図３においては、ステップＳ３のカソードガス減少ステップにおいて、弁１１３Ａが閉じられてカソードガスの流量はゼロになるものとする。
【００４８】
まず、時刻ｔ１において、システム起動が行われるとともに、カソードガス供給ステップ（Ｓ１）が実行される。
【００４９】
図３（ａ）に示されるように、カソードガス供給ステップが実行され、弁１１３Ａが開かれると、カソードガスの供給が開始される。カソードガスの流量は、時刻ｔ１の後に徐々に大きくなり、時刻ｔ２において供給目標値に達すると、時刻ｔ２以降において供給目標値で一定となる。
【００５０】
図３（ｂ）に示されるように、時刻ｔ１の後において出口温度Ｔｒｅｆが上昇を開始する。これは、改質器３３において、燃料ガスとカソードガスとの反応が進行し、発熱反応がおこるからである。
【００５１】
時刻ｔ３において、図３（ｂ）に示されるように出口温度Ｔｒｅｆが改質可能温度Ｔｒｅｆ１に到達する。この状態では、コントローラ７は、判定ステップ（Ｓ２）における「Ｙｅｓ」の判定を経て、カソードガス減少ステップ（Ｓ３）及び燃料供給ステップ（Ｓ４）を実行する。
【００５２】
カソードガス減少ステップ（Ｓ３）においては、弁１１３Ａが閉じられて、改質器３３へのカソードガスの供給が停止される。燃料供給ステップ（Ｓ４）においては、ポンプ１０２Ａが駆動され、蒸発器３１への燃料の供給が開始される。
【００５３】
図３（ａ）に示されるように、時刻ｔ３の直後、すなわち、蒸発器３１への燃料の供給の開始直後では、蒸発器３１における燃料の気化速度が遅いので、燃料ガスの流量の立ち上がりが遅い。なお、燃料である液体を用いる場合の方が、気体である燃料ガスを用いる場合と比較すると、燃料ガスの流量の立ち上がりの遅さは顕著になる。なお、燃料が液体である場合の方が燃料ガスの流量の立ち上がりの遅さが顕著になる理由について、後に、図４から図５Ｃまでを用いて説明する。
【００５４】
時刻ｔ４になり、すなわち、時刻ｔ３から待機時間ｔａｉｒだけ経過すると、燃料ガスの流量は閾値Ｆｔｈを上回る。ここで、カソードガスの流量が供給目標値であったとしても、燃料ガスが閾値Ｆｔｈを上回っている場合には、燃料ガスに対するカソードガスの割合が大きくなりにくいので、改質器３３にて過剰な加熱が抑制される。このような燃料ガスの流量が閾値Ｆｔｈとして求められ、蒸発器３１への燃料の供給開始から燃料ガスの流量が閾値Ｆｔｈとなるまでの時間が待機時間ｔａｉｒとして設定される。このように、待機時間ｔａｉｒは、蒸発器３１において液体の燃料が気化する気化特性に基づいて定められる。
【００５５】
時刻ｔ４になると、コントローラ７は、ステップＳ５における「Ｙｅｓ」の判定を経て、カソードガス増加ステップ（Ｓ６）が実行される。カソードガス増加ステップにおいては、弁１１３Ａが開かれ、改質器３３へのカソードガスの供給が再開される。なお、燃料ガスの流量が閾値Ｆｔｈを上回っているため、燃料ガスに対するカソードガスの割合が抑制されるので、改質器３３において過剰な加熱は発生しにくい。
【００５６】
カソードガスの流量は、時刻ｔ４以降においては、時刻ｔ１からｔ３までと同様に、徐々に大きくなり時刻ｔ５にて供給目標値に達すると一定となる。排気燃焼器６の燃焼に加えて、改質器３３における発熱反応により、出口温度Ｔｒｅｆは上昇を続ける。
【００５７】
時刻ｔ６において、図３（ｂ）に示すように出口温度Ｔｒｅｆが暖機完了温度Ｔｒｅｆ２に到達する。この状態では、コントローラ７は、ステップＳ７における「Ｙｅｓ」の判定を経て、カソードガス停止ステップ（Ｓ８）が実行される。カソードガス停止ステップ（Ｓ８）においては、弁１１３Ａが閉じられると、改質器３３へのカソードガスの供給が停止される。このようにして暖気制御が完了される。
【００５８】
ここで、燃料が液体である場合の方が、燃料ガスの流量の立ち上がりの遅さは顕著になる理由について、図４から図５Ｃまでを用いて説明する。
【００５９】
図４には、図３（ａ）に示された改質器３３に供給される燃料ガスの流量が点線で示され、蒸発器３１へ供給される燃料の流量が実線で示されている。また、図４には、時刻ｔ３、ｔ４、及び、ｔ５に加えて、燃料及び燃料ガスの流量が一定となる時刻５ａが示されている。
【００６０】
図５Ａから図５Ｃまでには、様々な時刻における蒸発器３１の詳細な構成が示されている。図５Ａは時刻ｔ３における蒸発器３１を示し、図５Ｂは時刻ｔ４における蒸発器３１を示し、図５Ｃは時刻ｔ５ａにおける蒸発器３１を示している。
【００６１】
なお、図５Ａから図５Ｃまでに示されるように、蒸発器３１は、燃料系統の経路１０２と経路１０４との間に設けられるとともに、排気系統の経路１２３と経路１２４との間に設けられている。蒸発器３１においては、燃料系統と排気系統とは隣接面３１Ａを介して隣接されている。また、燃料系統において燃料が存在する領域を、燃料液相領域と称するものとする。
【００６２】
排気系統における排気ガスの熱は、燃料系統と排気系統との間に設けられる隣接面３１Ａへと伝わる。隣接面３１Ａが加熱されると、隣接面３１Ａ上に存在する燃料は気化して燃料ガスが生成される。なお、供給される燃料の全てが気化するためには、隣接面３１Ａのうちの一定割合以上に燃料液相領域が存在しなければならない。
【００６３】
図４を参照すると、実線で示されるように、時刻ｔ３において蒸発器３１への燃料の供給が開始されるとともに、改質器３３への燃料ガスの供給も開始される。
【００６４】
図５Ａに示されるように、蒸発器３１への燃料の供給が開始されても、隣接面３１Ａの全てにおいて燃料液相領域が存在せず、隣接面３１Ａに対する燃料液相領域の割合は比較的小さい。そのため、隣接面３１Ａにおいて気化により生成される燃料ガスの流量は、供給される燃料の流量に比べて小さい。
【００６５】
次に、再び図４を参照すると、時刻ｔ４において、改質器３３への燃料ガスの供給量が大きくなり始める。
【００６６】
図５Ｂに示されるように、蒸発器３１にはより多くの燃料が供給され、燃料液相領域の割合が大きくなる。そのため、隣接面３１Ａにおける燃料液相領域の割合が増加するので、燃料ガスの流量は徐々に大きくなる。
【００６７】
次に、再び図４を参照すると、時刻ｔ５ａにおいて、供給される燃料の流量と燃料ガスの流量とは等しくなる。この状態では、燃料の供給量と、燃料から燃料ガスへの生成量とが等しくなる。
【００６８】
図５Ｃに示されるように、隣接面３１Ａのうちの一定割合以上に燃料液相領域が存在することになると、供給される燃料の全てが安定的に気化する。そのため、隣接面３１Ａの一部に燃料液相領域が存在する状態が定常的に続くことになる。
【００６９】
このように、蒸発器３１に液体の燃料の供給を開始してから、隣接面３１Ａのうちの一定割合以上に燃料液相領域が存在するようになり、供給される燃料の全てが安定的に気化するようになるまでには時間を要する。したがって、燃料が液体である場合の方が、液体の燃料の供給開始からの燃料ガスの流量の立ち上がりの遅さは顕著になる。
【００７０】
ここで、図６から図８までを用いて、本実施形態による効果を説明する。
【００７１】
図６には、従来技術の暖機制御を示すフローチャートである。この図によれば、図２の本実施形態の暖機制御と比較すると、ステップＳ３、Ｓ５、及び、Ｓ６の処理が削除されており、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ７、及び、Ｓ８が実行される。
【００７２】
図７には、カソードガス及び燃料ガスの流量、空気過剰率λ、及び、出口温度Ｔｒｅｆの経時的な変化が示されている。
【００７３】
図７（ａ）においては、図３（ａ）と同様に、カソードガスの流量が実線で、燃料ガスの流量が点線で示されている。さらに、図６の暖機制御が行われる場合のカソードガスの流量が一点鎖線で示されている。
【００７４】
図７（ｂ）には、空気過剰率λの変化が示されている。空気過剰率λは、燃料ガスの流量に対するカソードガスの流量の比率である。空気過剰率λが１と等しい場合には、カソードガスの全てが燃料ガスと反応する。空気過剰率λが１よりも大きい場合には、燃料ガスに比べてカソードガスが多いので、改質器３３における発熱量が大きくなる。
【００７５】
なお、この図には、上限空気過剰率λｍａｘが示されている。空気過剰率λが上限空気過剰率λｍａｘを下回るように制御することで、改質器３３における発熱反応を抑制することができる。上限空気過剰率λｍａｘについては、図８を用いて後に説明する。
【００７６】
図７（ｃ）は、図３（ｂ）と同様に、出口温度Ｔｒｅｆの変化を示している。さらに、この図においては、図６の暖機制御が行われる場合の出口温度Ｔｒｅｆが一点鎖線で示されている。
【００７７】
図７（ａ）を参照すると、従来技術の暖機制御が行われる場合が一点鎖線で示されている。従来技術においては、ステップＳ３、Ｓ６の処理が省略される。そのため、時刻ｔ３からｔ４の間において、カソードガスの供給は中断されず供給目標値で変化しない。一方、時刻ｔ３の後において、燃料の供給開始後の燃料ガスの流量の立ち上がりは遅いので、燃料ガスの流量は極めて少ない状態となる。
【００７８】
本実施形態の暖機制御が行われる場合が実線で示されている。従来技術によれば、ステップＳ３、Ｓ６の処理が行われるので、時刻ｔ３からｔ４の間において、カソードガスの供給が中断されるのでカソードガスの流量は少ない。一方、時刻ｔ４において、燃料ガスの流量は閾値Ｆｔｈを上回る。
【００７９】
図７（ｂ）を参照すると、一点鎖線で示される従来技術によれば、時刻ｔ３においては、カソードガスの流量は供給目標値であり、かつ、燃料ガスの流量は極めて少ないので、空気過剰率λは１を大きく上回る。そして、時間の経過とともに燃料ガスの流量は大きくなると、空気過剰率λは徐々に低下する。
【００８０】
本実施形態によれば、実線で示されるように、時刻ｔ３からｔ４までの間においては、カソードガスの供給が中断されるので、空気過剰率λはゼロである。そして、時刻ｔ４においては、燃料ガスの流量が閾値Ｆｔｈを上回った状態でカソードガスの供給が再開される。そのため、空気過剰率λは比較的小さくなり、時刻ｔ４以降において空気過剰率λは急激に上昇せずに徐々に大きくなる。
【００８１】
図７（ｃ）を参照すると、実線で示される従来技術によれば、時刻ｔ３以降において、空気過剰率λが１よりも極めて大きくなるので、改質器３３においては燃料ガスとカソードガスとの反応が進行し、出口温度Ｔｒｅｆが急激に上昇してしまう。
【００８２】
本実施形態によれば、一点鎖線で示されるように、空気過剰率λの上昇が抑制されている。そのため、出口温度Ｔｒｅｆは、時刻ｔ３からｔ４までの間においては変化せず、時刻ｔ４以降において徐々に上昇する。
【００８３】
このように、本実施形態によって、空気過剰率λの上昇が抑制されて、出口温度Ｔｒｅｆが過剰に高くなることを防ぐことができる。
【００８４】
図８には、改質器３３において、カソードガスの流量が供給目標値である時に、燃料ガスの流量を単調増加させる場合における、空気過剰率λと改質器３３の出口温度Ｔｒｅｆとの関係が示されている。
【００８５】
燃料ガスの流量を増加させると、空気過剰率λが増加し、燃料ガスとカソードガスとの反応が進行して、出口温度Ｔｒｅｆは上昇する。空気過剰率λが１と等しくなると、燃料ガスの全てがカソードガスと反応するので、発熱量が大きくなり出口温度Ｔｒｅｆは最大となる。空気過剰率λが１を超えると、燃料ガスの全てがカソードガスと反応するとともに、カソードガスの流量が多くなるので出口温度Ｔｒｅｆは緩やかに下降する。
【００８６】
改質器３３の劣化を回避するための上限温度Ｔｍａｘが示されており、出口温度Ｔｒｅｆが上限温度Ｔｍａｘを上回る場合には改質器３３が損傷するおそれがある。しかしながら、空気過剰率λが１まで上昇する前に、出口温度Ｔｒｅｆは上限温度Ｔｍａｘを上回ってしまう。そこで、出口温度Ｔｒｅｆが上限温度Ｔｍａｘとなる場合における空気過剰率λを、上限空気過剰率λｍａｘと定める。そして、上限空気過剰率λｍａｘを下回るように空気過剰率λを制御することで、出口温度Ｔｒｅｆが上限温度Ｔｍａｘとなることが避けられ、改質器３３を保護することができる。
【００８７】
すなわち、図７（ｂ）において実線で示されるように、本実施形態においては、空気過剰率λが上限空気過剰率λｍａｘを下回るように制御されるので、出口温度Ｔｒｅｆは上限温度Ｔｍａｘを超えず、改質器３３を保護することができる。
【００８８】
次に、改質器３３において場所によって温度が異なることについて図９、及び、図１０を用いて説明する。
【００８９】
図９には、改質器３３の詳細な構成が示されている。改質器３３においては、燃料ガスが経路１０４を介して供給される上流側を上流部３３Ａと称し、経路１０５を介してカソードガスを排出する下流側を下流部３３Ｃと称し、上流部３３Ａと下流部３３Ｃとの間を中流部３３Ｂと称するものとする。
【００９０】
図１０には、図６の暖機制御を行われる場合の改質器３３における各点の温度が示されている。上流部３３Ａの温度が実線で、中流部３３Ｂの温度が一点鎖線で、下流部３３Ｃの温度が二点鎖線で示されている。また、この図には、上限温度Ｔｍａｘが示されている。
【００９１】
上流部３３Ａ、中流部３３Ｂ、及び、下流部３３Ｃの順に燃料ガスが供給される。そのたため、上流部３３Ａにおいては、空気過剰率λが比較的大きくなるので、発熱しやすい。一方、下流部３３Ｃにおいては、到達する燃料ガスの流量が比較的小さいので、空気過剰率λが比較的小さく発熱しにくい。このように、上流部３３Ａ、中流部３３Ｂ、及び、下流部３３Ｃの順に温度が高くなりやすいので、上流部３３Ａにおいては、上限温度Ｔｍａｘを上回ることがある。
【００９２】
そのため、図８におけるｙ軸において出口温度Ｔｒｅｆに替えて上流部３３Ａの温度Ｔを用いたグラフを用意し、上流部３３Ａの温度Ｔが上限温度Ｔｍａｘとなる時点の空気過剰率λを、上限空気過剰率λｍａｘとして定めることが好ましい。このようにすることにより、上流部３３Ａにおいて確実に上限温度Ｔｍａｘを下回るようになるので、改質器３３を保護できる。なお、上限温度Ｔｍａｘは、余裕を持たせて設定してもよいし、改質触媒の劣化が開始される温度としてぎりぎりの値を設定してもよい。
【００９３】
ここで、ステップＳ３のカソードガス減少ステップにおいて、弁１１３Ａの開弁量を小さくする場合における、カソードガスの減少量について考察する。
【００９４】
カソードガスの流量をｆａとすると、カソードガスの全てが燃料ガスと完全酸化する場合の発熱量は、カソードガスの流量ｆａを変数とする関数としてＱ（ｆａ）と示すことができる。ここで、改質器３３の触媒の熱容量をＣとすると、熱容量Ｃ、発熱量Ｑ（ｆａ）、改質可能温度Ｔｒｅｆ１、上限温度Ｔｍａｘ、及び、待機時間ｔａｉｒの関係は、次の式のように示すことができる。なお、改質可能温度Ｔｒｅｆ１は、カソードガス減少ステップ（Ｓ３）が行われる場合の出口温度Ｔｒｅｆである。
【００９５】
Ｑ（ｆａ）・ｔａｉｒ＜Ｃ・（Ｔｍａｘ−Ｔｒｅｆ１）・・・（１）
（１）式において、左辺は発熱量の積分値であり、右辺は改質器３３にて受け入れ可能な熱量である。（１）式を満たすことにより、発熱量が改質器３３の受け入れ可能な熱量を上回らないので、改質器３３は上限温度Ｔｍａｘを超えることはない。そのため、カソードガスの流量を（１）式を満たす流量ｆａ以下となるように弁１１３Ａの開弁量を調整することで、改質器３３が上限温度Ｔｍａｘに達することが避けられる。
【００９６】
第１実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【００９７】
第１実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ７は、システム起動時にカソードガス供給ステップ（Ｓ１）を実行して、改質器３３にカソードガスの供給を開始する。そして、判定ステップ（Ｓ２）において出口温度Ｔｒｅｆが改質可能温度Ｔｒｅｆ１を上回ると判定されると（Ｓ２：Ｙｅｓ）、カソードガス減少ステップ（Ｓ３）を実行して改質器３３へのカソードガスの供給量を減少させ、そして、燃料供給ステップ（Ｓ４）を実行して改質器３３への燃料ガスの供給が開始される。
【００９８】
燃料供給ステップの直後においては、蒸発器３１に燃料が供給されても、液体の燃料から燃料ガスへの気化速度が速くないため、燃料ガスの流量の立ち上がりは遅い。一方、カソードガスは、カソードガス供給ステップ（Ｓ１）から供給が開始されており、十分な流量がある。そこで、カソードガス減少ステップ（Ｓ３）を行いカソードガスの流量を減少させることにより、燃料ガスに対するカソードガスの比率が下げられ、空気過剰率λを低く制御することができる。このようにすることで過剰な発熱を抑制できるので、改質器３３を保護できる。
【００９９】
また、カソードガス減少ステップ（Ｓ３）において、改質器３３へのカソードガスの流量を減少させてもよい。このようにすることで、空気過剰率λを低くなり改質器３３の温度の過剰な上昇を抑制することができる。さらに、カソードの流量を減少させている間でも燃料ガスとカソードガスとの反応は進行するので、出口温度Ｔｒｅｆは上昇する。出口温度Ｔｒｅｆが暖機完了温度Ｔｒｅｆ２まで到達するまでの時間を短くできるので、暖機完了までの時間を短くすることができる。
【０１００】
第１実施形態の燃料電池システムによれば、カソードガス減少ステップ（Ｓ３）において、改質器３３へのカソードガスの供給を停止させてもよい。このようにすることで、空気過剰率λはさらに低くなるので、改質器３３の温度の過剰な上昇はさらに抑制され、改質器３３をより確実に保護することができる。
【０１０１】
第１実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ７は、燃料供給ステップ（Ｓ４）の後に待機時間ｔａｉｒだけ経過して、燃料ガスの供給量が閾値Ｆｔｈを上回る場合に、カソードガス増加ステップ（Ｓ６）を実行する。燃料供給の開始直後においては燃料ガスの供給量の立ち上がりは遅いが、待機時間ｔａｉｒだけ経過すると燃料ガスの流量は閾値Ｆｔｈを上回る。そのため、カソードガス増加ステップ（Ｓ６）を実行してカソードガスの流量を増加させても、燃料ガスの流量は閾値Ｆｔｈを上回っているので、空気過剰率λの上昇は抑制される。したがって、改質器３３の過剰な加熱はさらに抑制され、改質器３３を保護することができる。
【０１０２】
第１実施形態の燃料電池システムによれば、燃料は液体であり、燃料処理器３は、蒸発器３１にて燃料を気化させて燃料ガスを生成するとともに、改質器３３にて燃料ガスを改質してアノードガスを生成する。
【０１０３】
コントローラ７は、燃料供給ステップ（Ｓ４）の後に待機時間ｔａｉｒだけ経過して、改質器３３に供給される燃料ガスの流量が閾値Ｆｔｈを上回ると（Ｓ５：Ｙｅｓ）、カソードガス増加ステップ（Ｓ６）を実行する。
【０１０４】
液体の燃料が蒸発器３１に供給されてから、蒸発器３１の隣接面３１Ａにおいて安定的に燃料が気化して燃料ガスが生成されるまでに時間を要する。そのため、液体の燃料の気化する気化特性を考慮して、待機時間ｔａｉｒを設定する。そして、待機時間ｔａｉｒだけ経過して改質器３３に供給される燃料ガスの流量が閾値Ｆｔｈを上回った後に、カソードガス増加ステップ（Ｓ６）を実行することにより、空気過剰率λの上昇を抑制しながら燃料ガスとカソードガスとを反応させて、改質器３３の暖機をすることができる。
【０１０５】
第１実施形態の燃料電池システムによれば、出口温度Ｔｒｅｆが暖機完了温度Ｔｒｅｆ２を上回る場合には、カソードガス停止ステップ（Ｓ８）が行われる。暖機完了温度Ｔｒｅｆ２を上回る場合には暖機制御をさらに行う必要がないので、改質器３３へのカソードガスの供給を止め、燃料ガスとカソードガスとの反応の進行を停止させて、暖機制御を完了させる。このようにすることで、以降においては、改質器３３の暖機が完了し、改質器３３において燃料ガスを改質して生成されたアノードガスを用いて、燃料電池スタック１の発電制御をすることができる。
【０１０６】
（第２実施形態）
第１実施形態においては、待機時間ｔａｉｒを予め求める例について説明したが、これに限らない。コントローラ７は、液体の燃料の温度に応じて待機時間ｔａｉｒを変更してもよい。
【０１０７】
図１１は、待機時間ｔａｉｒと液体燃料温度Ｔｆｕｅｌとの関係を示すグラフである。ｘ軸に液体燃料温度Ｔｆｕｅｌが示され、ｙ軸に待機時間ｔａｉｒが示されている。なお、液体燃料温度Ｔｆｕｅｌは、燃料温度計１０１Ｔによって測定される。
【０１０８】
液体燃料温度Ｔｆｕｅｌが高ければ、予め燃料が加熱されていることになるので気化しやすくない、蒸発器３１への燃料の供給の開始から燃料ガスの流量が閾値Ｆｔｈを上回るまでの時間は短くなる。そのため、この図に示されるように、液体燃料温度Ｔｆｕｅｌが高いほど、待機時間ｔａｉｒは短く設定される。
【０１０９】
図１２は、本実施形態の起動制御のフローチャートである。このフローチャートは、図２に示した第１実施形態の起動制御のフローチャートと比較すると、ステップＳ４とステップＳ５との処理の間に、ステップＳ１１の処理が追加されている。
【０１１０】
ステップＳ１１においては、待機時間設定ステップが実行される。コントローラ７は、図１１に示されるグラフを参照し、燃料温度計１０１Ｔにより測定される液体燃料温度Ｔｆｕｅｌに基づいて、待機時間ｔａｉｒを求める。具体的には、図１１に示されるように、液体燃料温度Ｔｆｕｅｌが高いほど、待機時間ｔａｉｒは小さく設定される。このようにすることで、燃料の温度に応じた適切な待機時間ｔａｉｒを設定することができる。
【０１１１】
第２実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１１２】
第２実施形態の燃料電池システムによれば、待機時間設定ステップ（Ｓ１１）が行われる。コントローラ７は、燃料温度計１０１Ｔにより測定される液体燃料温度Ｔｆｕｅｌが高いほど、待機時間ｔａｉｒが小さくなるように設定する。
【０１１３】
このようにすることで、燃料の温度が高い場合には、待機時間ｔａｉｒは短くなるので、暖機完了までの時間を短縮できる。一方、燃料の温度が低い場合には、待機時間ｔａｉｒを長くすることで、燃料ガスの流量が閾値Ｆｔｈを確実に上回るようになる。そのため、空気過剰率λの上昇を抑制しながら燃料ガスとカソードガスとを反応させて、改質器３３の暖機をすることができる。
【０１１４】
（第３実施形態）
第１及び第２実施形態においては、判定ステップ（Ｓ２）において出口温度Ｔｒｅｆが改質可能温度Ｔｒｅｆ１を上回る場合に、ステップＳ３の処理に進んだがこれに限らない。判定ステップ（Ｓ２）において、さらに、蒸発器３１の温度を考慮してもよい。
【０１１５】
図１３は、本実施形態の暖機制御のフローチャートである。このフローチャートは、図２に示した第１実施形態の暖機制御のフローチャートと比較すると、ステップＳ２の処理がステップＳ２２の処理に変更されている。
【０１１６】
ステップＳ２２においては、判定ステップが行われる。コントローラ７は、出口温度Ｔｒｅｆが改質可能温度Ｔｒｅｆ１を上回り、かつ、蒸発器温度Ｔｖａｐが気化可能温度Ｔｖａｐ１を上回る状態であるか否かを判定する。なお、蒸発器温度Ｔｖａｐは、蒸発器３１と接続される経路１２５に設けられる蒸発器温度計１２５Ｔにより測定される。
【０１１７】
蒸発器３１においては、蒸発器温度Ｔｖａｐが気化可能温度Ｔｖａｐ１を上回る場合に、燃料の気化が進行する。逆に、蒸発器温度Ｔｖａｐが気化可能温度Ｔｖａｐ１を下回る場合には、燃料は気化しにくい。ステップＳ２２の判定処理を行うことにより、蒸発器温度Ｔｖａｐが気化可能温度Ｔｖａｐ１を上回り、蒸発器３１が十分に加熱されて燃料が気化できる場合に（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、燃料供給ステップ（Ｓ４）により蒸発器３１への燃料の供給が開始されるので、燃料の気化が適切に進行することになる。
【０１１８】
第３実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１１９】
第３実施形態の燃料電池システムによれば、判定ステップ（Ｓ２）において、コントローラ７は、出口温度Ｔｒｅｆが改質可能温度Ｔｒｅｆ１を上回り、かつ、蒸発器温度Ｔｖａｐが気化可能温度Ｔｖａｐ１を上回る場合に（Ｓ２；Ｙｅｓ）、カソードガス減少ステップ（Ｓ３）を経て、燃料供給ステップ（Ｓ４）を実行する。
【０１２０】
蒸発器温度Ｔｖａｐが気化可能温度Ｔｖａｐ１を上回るので、蒸発器３１は十分に加熱されおり燃料の気化が適切に行われる。そのため、蒸発器温度Ｔｖａｐが気化可能温度Ｔｖａｐ１を上回り、蒸発器３１が十分に加熱されており燃料が気化する場合にのみ（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、燃料供給ステップ（Ｓ４）が実行されるので、燃料の気化を適切に行うことができる。そのため、燃料ガスの生成が適切に行われるので、待機時間ｔａｉｒ経過後には（Ｓ５：Ｙｅｓ）、燃料ガスの流量は閾値Ｆｔｈを上回る。空気過剰率λの上昇を抑制しながら燃料ガスとカソードガスとを反応させて、改質器３３の暖機をすることができる。
【０１２１】
（第４実施形態）
第１、第２、及び、第３実施形態においては、液体の燃料が用いられて蒸発器３１が設けられる例について説明したが、これに限らない。本実施形態においては、気体の燃料ガスが用いられて蒸発器３１が設けられていない例について説明する。
【０１２２】
図１４は、本実施形態の燃料電池システム１００のブロック図である。本実施形態の燃料電池システム１００は、図１に示した第１実施形態の燃料電池システム１００と比較すると、燃料処理器３において蒸発器３１が削除されている。また、燃料タンク２には、燃料ガスが蓄えられており、ポンプ２Ａに替えて燃料ブロワ２Ｂが設けられている。また、ポンプ１０２Ａ、１０３Ａの替わりに弁１０２Ｂ、１０３Ｂが設けられている。がこのような場合には、燃料ブロワ２Ｂ、弁１０２Ｂ、１０３Ｂが、燃料供給部の一例となる。
【０１２３】
このような場合には、液体の燃料を用いる場合と比べると顕著ではないが、加熱器３２への燃料ガスの供給の開始直後では、燃料ガスの流量の立ち上がりは遅い。そこで、本実施形態においては、予め、燃料ブロワ２Ｂの駆動から、改質器３３への燃料ガスの流量がＦｔｈを上回るまでの時間を求めておき、その時間を待機時間ｔａｉｒ２として設定する。
【０１２４】
図１５には、暖機制御のフローチャートが示されている。この図によれば、ステップＳ５の代わりにステップＳ３１が行われている。ステップＳ３１においては、コントローラ７はステップＳ４の後に待機時間ｔａｉｒ２だけ経過したか否かを判定する。このようにすることで、待機時間ｔａｉｒ２経過した場合には（Ｓ３１：Ｙｅｓ）、改質器３３への燃料ガスの流量がＦｔｈを上回っているので、空気過剰率λの上昇を抑制しながら燃料ガスとカソードガスとを反応させて、改質器３３の暖機をすることができる。
【０１２５】
第４実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１２６】
第４実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ７は、システム起動時にカソードガス供給ステップ（Ｓ１）を実行して、改質器３３にカソードガスの供給を開始する。そして、判定ステップ（Ｓ２）において出口温度Ｔｒｅｆが改質可能温度Ｔｒｅｆ１を上回ると（Ｓ２：Ｙｅｓ）、カソードガス減少ステップ（Ｓ３）を実行して改質器３３へのカソードガスの供給量を減少させるとともに、燃料供給ステップ（Ｓ４）を実行して改質器３３への燃料ガスの供給が開始される。
【０１２７】
ここで、燃料供給ステップの直後においては、改質器３３への燃料ガスの供給量の立ち上がりは遅い。一方、カソードガスは、カソードガス供給ステップ（Ｓ１）から供給が開始されており、供給目標値に達している。そのため、カソードガス減少ステップ（Ｓ３）を行いカソードガスの流量を減少させることにより、燃料ガスの流量に対するカソードガスの流量の比率、すなわち、空気過剰率λを低くすることができるので、改質器３３を保護することができる。
【０１２８】
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。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【図１】
2019026146.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年1月10日(2020.1.10)
【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】
アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池と、燃料を少なくとも改質することで前記アノードガスを生成し、生成した前記アノードガスを前記燃料電池に供給する燃料処理器と、供給される前記燃料を燃焼させて前記燃料処理器の暖機を行う燃焼器と、を備える燃料電池システムを、少なくともシステム起動時における前記暖機が行われる間において制御する、燃料電池システムの制御方法であって、
前記カソードガスを前記燃料処理器に供給するカソードガス供給ステップと、
前記燃料処理器を通過するガスの温度が改質可能温度を上回るか否かを判定する判定ステップと、
前記ガスの温度が前記改質可能温度を上回ると判定される場合に、前記燃料処理器への前記カソードガスの供給量を減少させるカソードガス減少ステップと、
前記燃料を前記燃料処理器に供給する燃料供給ステップと、を有する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記カソードガス減少ステップにおいて、前記燃料処理器への前記カソードガスの供給を停止する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料供給ステップによって前記燃料の供給が開始された後に所定の待機時間経過する場合に、前記燃料処理器への前記カソードガスの供給量を増加させるカソードガス増加ステップを、さらに有する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料は、液体燃料であり、
前記燃料処理器は、前記液体燃料を蒸発させて燃料ガスを生成する蒸発器と、前記燃料ガスを改質することで前記アノードガスを生成する改質器と、を備え、
前記所定の待機時間は、前記燃料供給ステップによって前記液体燃料の供給が開始されてから前記蒸発器から前記改質器に供給される前記燃料ガスの流量が閾値を上回るまでの時間である、燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記液体燃料の温度が高くなるほど前記待機時間を短く設定する、待機時間設定ステップを、さらに有する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記判定ステップにおいては、前記ガスの温度が前記改質可能温度を上回り、かつ、前記蒸発器の温度が前記燃料の気化可能温度を上回るかを判定し、
前記ガスの温度が前記改質可能温度を上回り、かつ、前記蒸発器の温度が前記気化可能温度を上回ると判定される場合に、前記カソードガス減少ステップにおいて、前記燃料処理器への前記カソードガスの供給量を減少させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記ガスの温度が、前記改質可能温度よりも高い暖機完了温度を上回る場合には、前記燃料処理器への前記カソードガスの供給を停止するカソードガス停止ステップを、さらに有する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池と、燃料を少なくとも改質することで前記アノードガスを生成し、生成した前記アノードガスを前記燃料電池に供給する燃料処理器と、供給される前記燃料を燃焼させて前記燃料処理器の暖機を行う燃焼器と、前記燃料処理器及び前記燃焼器に前記燃料を送りだす燃料供給部と、前記カソードガスを前記燃料処理器に供給するカソードガス供給部と、少なくともシステム起動時における前記暖機が行われる間において、前記燃料供給部及び前記カソードガス供給部を制御するコントローラと、を備える燃料電池システムであって、
前記コントローラは、
前記カソードガス供給部に、前記カソードガスを前記燃料処理器へと供給させ、
前記燃料処理器を通過するガス温度が改質可能温度を上回るか否かを判定し、
前記ガス温度が前記改質可能温度を上回ると判定される場合に、前記カソードガス供給部に、前記燃料処理器への前記カソードガスの供給量を減少させ、
前記燃料供給部に、前記燃料を前記燃料処理器に供給させる、燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８１】
図７（ｃ）を参照すると、一点鎖線で示される従来技術によれば、時刻ｔ３以降において、空気過剰率λが１よりも極めて大きくなるので、改質器３３においては燃料ガスとカソードガスとの反応が進行し、出口温度Ｔｒｅｆが急激に上昇してしまう。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８２】
本実施形態によれば、実線で示されるように、空気過剰率λの上昇が抑制されている。そのため、出口温度Ｔｒｅｆは、時刻ｔ３からｔ４までの間においては変化せず、時刻ｔ４以降において徐々に上昇する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
図９には、改質器３３の詳細な構成が示されている。改質器３３においては、燃料ガスが経路１０４を介して供給される上流側を上流部３３Ａと称し、経路１０５を介してアノードガスを排出する下流側を下流部３３Ｃと称し、上流部３３Ａと下流部３３Ｃとの間を中流部３３Ｂと称するものとする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９１】
上流部３３Ａ、中流部３３Ｂ、及び、下流部３３Ｃの順に燃料ガスが供給される。そのため、上流部３３Ａにおいては、空気過剰率λが比較的大きくなるので、発熱しやすい。一方、下流部３３Ｃにおいては、到達する燃料ガスの流量が比較的小さいので、空気過剰率λが比較的小さく発熱しにくい。このように、上流部３３Ａ、中流部３３Ｂ、及び、下流部３３Ｃの順に温度が高くなりやすいので、上流部３３Ａにおいては、上限温度Ｔｍａｘを上回ることがある。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
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【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１３】
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【国際調査報告】
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