(57)【要約】【課題】触媒燃焼器における予期せぬ局所的燃焼を回避し触媒燃焼器の破損や性能低下を防止する燃料燃焼システムを提供する。【解決手段】燃料を空気と混合して燃焼する触媒燃焼器４と、触媒燃焼器４に燃料を供給する第２インジェクタ５２と、触媒燃焼器４に空気を供給する第１コンプレッサー３２と、第１コンプレッサー３２及び第２インジェクタ５２を制御する制御部９と、を備え、第２インジェクタ５２が触媒燃焼器４に接続された燃料供給配管を介して燃料を触媒燃焼器４に供給する燃料燃焼システムにおいて、燃料供給配管には、燃料供給配管内の燃料を排出するパージ部（三方弁５３）が取り付けられ、制御部９は、第２インジェクタ５２の駆動を停止させたのちパージ部（三方弁５３）を駆動させて燃料供給配管内に残留した燃料を触媒燃焼器４に排出するとともに、第１コンプレッサー３２の出力を触媒燃焼器４内の燃焼状態を維持するように制御する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を空気と混合して燃焼する触媒燃焼器と、
前記触媒燃焼器に燃料を供給する燃料供給部と、
前記触媒燃焼器に空気を供給する空気供給部と、
前記空気供給部及び前記燃料供給部を制御する制御部と、を備え、
前記燃料供給部が前記触媒燃焼器に接続された燃料供給配管を介して燃料を前記触媒燃焼器に供給する燃料燃焼システムにおいて、
前記燃料供給配管には、前記燃料供給配管内の燃料を排出するパージ部が取り付けられ、
前記制御部は、前記燃料供給部の駆動を停止させたのち前記パージ部を駆動させて前記燃料供給配管内に残留した燃料を前記触媒燃焼器に排出するとともに、前記空気供給部の出力を前記触媒燃焼器内の燃焼状態を維持するように制御する燃料燃焼システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料供給配管に空気を供給した後の前記触媒燃焼器に供給される空気の流量が前記燃料供給配管に空気を供給する前の前記触媒燃焼器に供給される空気の流量以上となるように前記空気供給部の出力を制御する請求項１に記載の燃料燃焼システム。
【請求項３】
前記制御部は、
前記パージ部を駆動させる前に前記空気供給部の出力を増加させる請求項１または２に記載の燃料燃焼システム。
【請求項４】
前記触媒燃焼器に所定量の燃料を供給する場合において、
前記制御部は、前記燃料供給部が前記所定量から前記燃料供給配管内に残留した燃料の量を差し引いた量を供給した段階で前記燃料供給部の駆動を停止する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料燃焼システム。
【請求項５】
前記パージ部の駆動時に、前記燃料供給配管内の圧力が前記触媒燃焼器内の圧力よりも高くなるように構成されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料燃焼システム。
【請求項６】
前記空気供給部は、
前記触媒燃焼器に接続するメインラインと、
前記メインラインに空気を供給する空気供給源と、を備え、
前記パージ部は、
前記燃料供給配管に取り付けられたガス導入部と、
前記ガス導入部にガスを供給するガス供給源と、を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料燃焼システム。
【請求項７】
前記空気供給部は、
前記触媒燃焼器に接続するメインラインと、
前記メインラインに空気を供給する空気供給源と、を備え、
前記パージ部は、
前記メインラインから分岐したサブラインと、
前記燃料供給配管に取り付けられ前記サブラインに接続した空気導入部と、を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料燃焼システム。
【請求項８】
請求項６または７に記載の燃料燃焼システムを燃料電池に適用した燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記メインラインであって前記触媒燃焼器よりも空気の上流側に介装されている燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７に記載の燃料燃焼システムを燃料電池に適用した燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記メインラインであって前記触媒燃焼器よりも空気の上流側に介装され、
前記メインラインの前記燃料電池よりも空気の上流側には前記触媒燃焼器から排出された排気ガスにより空気を加熱する熱交換器が介装され、
前記サブラインは、前記メインラインの前記熱交換器と前記燃料電池の間となる位置から分岐している燃料電池システム。
【請求項１０】
前記触媒燃焼器は、前記燃料電池を加熱可能である請求項８または９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料供給配管を介して触媒燃焼器に供給された燃料を空気と混合して燃焼する燃料燃焼方法であって、
燃料の供給を停止させたのち前記燃料供給配管内に残留する燃料を前記触媒燃焼器に排出するとともに、前記触媒燃焼器の燃焼状態を維持するように前記触媒燃焼器に供給する空気の流量を制御する燃料燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料燃焼システム、及び燃料電池システム、及び燃料燃焼方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料を噴射するインジェクタが反応室における小径部の先端に配置された構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１５７４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の構成では、インジェクタから反応室への供給経路が長いため、当該供給経路が所謂デッドボリュームとなり、この中に燃料が残留する。その結果、燃料供給停止後にこの残留した燃料が予期せぬときに反応室内に局所的に流入して局所的燃焼が起こり、これによる局所的な温度上昇により部品が破損する虞があるといった問題がある。
【０００５】
燃料電池等に用いられる触媒燃焼器においても、インジェクタに対する熱害を回避するため、触媒燃焼器に配管の一端を取り付け当該配管の他端にインジェクタを取り付ける構成が提案されている。しかし、この場合においても、燃料供給停止後に配管内に燃料が残留するため上記同様の問題が発生する。
【０００６】
そこで、本発明は、触媒燃焼器における予期せぬ局所的燃焼を回避し触媒燃焼器の破損や性能低下を防止する燃料燃焼システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様における燃料燃焼システムは、燃料を空気と混合して燃焼する触媒燃焼器と、触媒燃焼器に燃料を供給する燃料供給部と、触媒燃焼器に空気を供給する空気供給部と、空気供給部及び燃料供給部を制御する制御部と、を備え、燃料供給部が触媒燃焼器に接続された燃料供給配管を介して燃料を触媒燃焼器に供給する燃料燃焼システムである。燃料供給配管には、燃料供給配管内の燃料を排出するパージ部が取り付けられている。制御部は、燃料供給部の駆動を停止させたのちパージ部を駆動させて燃料供給配管内に残留した燃料を触媒燃焼器に排出するとともに、空気供給部の出力を触媒燃焼器内の燃焼状態を維持するように制御する。
【発明の効果】
【０００８】
上記態様によれば、燃料供給の停止後に燃料供給配管内に残留した燃料を意図的に排出することで燃料垂れによる予期しないタイミングでの局所的燃焼を防止することができる。また、燃料供給配管内に残留した燃料を意図的に排出することで触媒燃焼器内に燃料を拡散させ、その際に触媒燃焼器に供給する空気の流量を制御して燃料と空気との混合比を変化させることで、燃料の燃焼に伴う温度上昇を抑制し、触媒燃焼器における局所的な温度上昇を低減することで、触媒燃焼器の破損や性能低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態の燃料燃焼システムが適用される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】図２は、第１実施形態の燃料燃焼システムにおいて燃料供給配管に燃料を供給する場合における燃料供給配管等の断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態の燃料燃焼システムにおいて燃料供給配管に空気を供給する場合における燃料供給配管等の断面図である。
【図４】図４は、第１実施形態の燃料燃焼システムにおいて触媒燃焼器に燃料及び空気を供給する場合における触媒燃焼器等の断面図である。
【図５】図５は、触媒燃焼器において燃料が局所的に供給される場合における触媒燃焼器等の断面図である。
【図６】図６は、第１実施形態の燃料燃焼システムにより燃料供給配管に残留した燃料を触媒燃焼器に排出する場合における触媒燃焼器等の断面図である。
【図７】図７は、第１実施形態の燃料燃焼システムが適用される燃料電池システムの起動制御のフローチャートである。
【図８】図８は、メインラインの空気供給、サブラインの空気供給、燃料供給ラインの燃料供給、及びアノードラインの燃料供給のタイムチャートである。
【図９】図９は、第２実施形態の燃料燃焼システムが適用される燃料電池システムの主要構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
［第１実施形態］
［燃料電池システムの構成］
図１は、第１実施形態の燃料燃焼システムが適用される燃料電池システム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は、例えば電動車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック１（燃料電池）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、燃料電池スタック１等を暖機させるとともに燃料電池スタック１から排出されたアノードガス（アノードオフガス）及びカソードガス（カソードオフガス）を排気する暖機・排気系統と、燃料電池スタック１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。
【００１２】
燃料供給系統は、燃料タンク２１、フィルタ２２、ポンプ２３、開閉弁２４、第１インジェクタ２５、蒸発器２６、熱交換器２７、改質器２８、燃料電池スタック１（アノード）、遮断弁２９により構成され、この順で一列に並ぶように接続管で接続され、燃料またはアノードガスが流通するアノードライン２を形成している。アノードライン２（接続管）の終端は触媒燃焼器４に接続されている。
【００１３】
空気供給系統は、フィルタ３１、第１コンプレッサー３２（空気供給部、空気供給源）、リリーフバルブ３３、スロットル３４、逆火防止装置３５、熱交換器３６、燃料電池スタック１（カソード）等により構成され、この順で一列に並ぶように接続管で接続され、カソードガスが流通するカソードライン３（メインライン（空気供給部））を形成している。カソードライン３（接続管）の終端は触媒燃焼器４に接続されている。
【００１４】
暖機・排気系統は触媒燃焼器４等から構成されている。駆動系統は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、駆動モータ６３等から構成されている。また、燃料電池システムは、システム全体の動作を制御する制御部９を備えている。
【００１５】
また、本実施形態では、アノードライン２のポンプ２３と開閉弁２４との間となる位置から分岐した燃料供給ライン５が設けられ、カソードライン３の熱交換器３６と燃料電池スタック１との間となる位置から分岐したサブライン３７が設けられている。本実施形態の燃料燃焼システムは、触媒燃焼器４、カソードライン３（メインライン）、燃料供給ライン５、サブライン３７（パージ部）、及び制御部９により構成されている。
【００１６】
燃料供給ライン５（燃料供給部）は、アノードライン２から分岐して燃料を触媒燃焼器４に供給するものである。燃料供給ライン５には、上流から開閉弁５１、第２インジェクタ５２、三方弁５３（燃料供給配管）、貫通配管５４（燃料供給配管）が介装され、貫通配管５４は触媒燃焼器４に接続されている。
【００１７】
サブライン３７は、後述のように、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に残留した燃料（残留燃料）をパージして触媒燃焼器４に排出（噴射）させるための空気を供給する経路であり、その先端は三方弁５３に取り付けられている。
【００１８】
上記構成要素のうち、燃料電池スタック１、蒸発器２６、熱交換器２７、改質器２８、熱交換器３６、触媒燃焼器４は、断熱ケース７に収容され、外部への熱の放出を低減して、暖機制御時及び通常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。また、貫通配管５４及びサブライン３７は断熱ケース７の外壁を貫通する。なお、カソードライン３の燃料電池スタック１と触媒燃焼器４とを接続する部分は、断熱ケース７を貫通させずにその内側に収容してもよい。
【００１９】
燃料電池スタック１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２８により改質されたアノードガスが供給されるアノード（燃料極）と、カソードガスとして酸素を含む空気が供給されるカソード（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。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。
【００２０】
アノードライン２において、燃料タンク２１は、例えばエタノールと水を混合させた液体からなる燃料を蓄えるものであり、ポンプ２３は、燃料を吸引して一定の圧力で燃料供給系に燃料を供給するものである。フィルタ２２は、燃料タンク２１とポンプ２３の間に配置され、ポンプ２３に吸引される燃料内のごみを除去するものである。
【００２１】
開閉弁２４は、ポンプ２３と第１インジェクタ２５との間においてアノードライン２の開閉を行うものである。開閉弁２４は、燃料電池スタック１の通常発電制御時にアノードライン２を開放して燃料を第１インジェクタ２５に供給する。第１インジェクタ２５は、開閉弁２４から供給された燃料を所定の流量で蒸発器２６に向けて供給（噴射）する。なお、第１インジェクタ２５は後述の第２インジェクタ５２と同様の構成を有する。
【００２２】
蒸発器２６は、触媒燃焼器４から排気される排気ガスの熱を利用して燃料を気化させるものである。熱交換器２７は、触媒燃焼器４からの熱を受け、当該熱により蒸発器２６で気化した燃料を改質器２８において改質するためにさらに加熱するものである。
【００２３】
改質器２８は、触媒反応により燃料を、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１（アノード）に供給するものである。
【００２４】
遮断弁２９は、燃料電池スタック１（アノード）と触媒燃焼器４との間においてアノードライン２の開閉を行うものである。遮断弁２９は通常開放しているが、燃料電池システムの停止制御時において燃料電池スタック１のアノードの排気側を閉止する。これにより、カソードガス（カソードオフガス）が触媒燃焼器４及びアノードライン２を経由して燃料電池スタック１のアノードにまで逆流することを防止し、アノードの劣化を抑制する。
【００２５】
燃料供給ライン５において、開閉弁５１は、第２インジェクタ５２の上流側において燃料供給ライン５の開閉を行うものである。開閉弁５１は燃料電池スタック１の起動制御時において燃料供給ライン５を開放して燃料を第２インジェクタ５２に供給する。
【００２６】
第２インジェクタ５２は、開閉弁５１から供給された燃料を所定に流量で三方弁５３（パージ部、燃料供給配管）に向けて供給（噴射）する。
【００２７】
三方弁５３（空気導入部、ガス導入部）は、貫通配管５４の連通先を第２インジェクタ５２とサブライン３７との間で相互に切り替えるものである。
【００２８】
貫通配管５４は、断熱ケース７を貫通して触媒燃焼器４に接続され（図１）、触媒燃焼器４に燃料を供給（噴射）するものである（図４）。
【００２９】
本実施形態では、第２インジェクタ５２を触媒燃焼器４に直接接続するのではなく、触媒燃焼器４に接続した燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に第２インジェクタ５２を接続する構成としている。これにより、第２インジェクタ５２を熱源（触媒燃焼器４）から遠ざけ、第２インジェクタ５２に対する熱害を回避するようにしている。第２インジェクタ５２、三方弁５３、貫通配管５４の詳細については後述する（図２、図３）。
【００３０】
カソードライン３において、第１コンプレッサー３２は、フィルタ３１を通じて取り入れた空気をカソードガスとして燃料電池スタック１に供給するものである。カソードライン３の第１コンプレッサー３２とスロットル３４との間となる位置にはリリーフバルブ３３が取り付けられ、第１コンプレッサー３２よりも下流のカソードガスの圧力が一定値を超えるとカソードライン３を開放して第１コンプレッサー３２に一定以上の負荷が掛ることを防止する。
【００３１】
スロットル３４は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの流量を制御するものであるが、第１コンプレッサー３２の出力を制御することでカソードガスの流量を制御可能である場合は省略することができる。なお、スロットル３４と熱交換器３６との間には、火炎をせき止める逆火防止装置３５（省略してもよい）が取り付けられている。
【００３２】
熱交換器３６は、触媒燃焼器４から排出された排気ガスの熱を利用して、カソードガスを加熱するものである。
【００３３】
触媒燃焼器４は、燃料電池スタック１の起動制御時において、燃料供給ライン５から供給され燃料と、カソードライン３から供給されたカソードガスを混合して触媒反応により燃焼させることで熱を発生させ、燃料電池スタック１を含め断熱ケース７に収容された構成要素を加熱するものである。
【００３４】
また、触媒燃焼器４は、燃料電池スタック１の通常発電制御時において、燃料電池スタック１から排出されたアノードガス（アノードオフガス）とカソードガス（カソードオフガス）に混合させ触媒反応により当該混合したガスを燃焼させるものである。
【００３５】
なお、触媒燃焼器４は、燃料電池スタック１の起動制御時及び通常発電制御時において、触媒反応により排気ガスを排出する。排気ガスは蒸発器２６及び熱交換器３６を経由することでこれらを加熱し外部に排出される。触媒燃焼器４の詳細については後述する（図４）。
【００３６】
ＤＣ−ＤＣコンバータ６１は、燃料電池スタック１に接続され、燃料電池スタック１の出力電圧を昇圧してバッテリ６２または駆動モータ６３に電力を供給するものである。バッテリ６２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１から供給された電力を充電するとともに、駆動モータ６３に電力を供給するものである。なお、バッテリ６２は、触媒燃焼器４（触媒４３４、図４）を加熱するヒータ（不図示）の電力源にすることができる。
【００３７】
駆動モータ６３は、インバータ（不図示）を介してバッテリ６２及びＤＣ−ＤＣコンバータ６１に接続され、電動車両の動力源となっている。また、電動車両のブレーキ時において、駆動モータ６３は回生電力を発生させるが、これをバッテリ６２に充電させることができる。
【００３８】
制御部９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及び燃料燃焼システムの各構成要素を制御するための処理を実行する。なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１に、燃料電池スタック１の開放電圧相当の逆バイアスを印加する回路を接続しておき、後述の停止制御中に制御部９が燃料電池スタック１に逆バイアスを印加するように当該回路をスイッチ制御して、燃料電池スタック１のアノードの劣化を抑制できるようにしてもよい。
【００３９】
［第２インジェクタ５２、三方弁５３、貫通配管５４の構造］
図２は、第１実施形態の燃料燃焼システムにおいて燃料供給配管に燃料を供給する場合における燃料供給配管等の断面図である。図３は、第１実施形態の燃料燃焼システムにおいて燃料供給配管に空気を供給する場合における燃料供給配管等の断面図である。
【００４０】
図２、図３に示すように、第２インジェクタ５２は、先端に燃料噴射孔５２０１を備えた円筒状のノズルボディ５２０２と、このノズルボディ５２０２の基端側に接続されたヨーク５２０３と、ノズルボディ５２０２の内部に移動可能に挿通されたプランジャロッド５２０４と、プランジャロッド５２０４の基端側に位置してヨーク５２０３内に固着された円筒状のコア５２０５と、を備える。なお、ノズルボディ５２０２の先端には三方弁５３と接続するためのフランジ５２０６が形成されている。
【００４１】
コア５２０５の外周側には、コイルボビン５２０７に保持された状態でソレノイド５２０８が巻装されている。また、コア５２０５の内周側にはスプリング５２０９が配設されており、このスプリング５２０９がプランジャロッド５２０４の基端のアンカに当接してプランジャロッド５２０４をノズルボディ５２０２の先端側へと付勢している。このスプリング５２０９による付勢力は、スプリングアジャスタ５２１０によって調整されている。
【００４２】
ポンプ２３により第２インジェクタ５２に圧送された燃料（液体燃料）は、コア５２０５内部の空間やこれに連通するノズルボディ５２０２内部の空間を経由して、ノズルボディ５２０２先端の燃料噴射孔５２０１へと導かれる。つまり、第２インジェクタ５２内は、コア６５２０５内部やノズルボディ５２０２内部の空間が加圧された燃料が流れる流路となっている。
【００４３】
第２インジェクタ５２は、非噴射時において、プランジャロッド５２０４がスプリング５２０９によりノズルボディ５２０２の先端側に付勢され、図３に示すように、プランジャロッド５２０４の先端部がノズルボディ５２０２の先端内周面に当接することで、ノズルボディ５２０２の先端に設けられた燃料噴射孔５２０１を閉塞している。よって、第２インジェクタ５２内の燃料は、プランジャロッド５２０４とノズルボディ５２０２に接触部分で遮断され、燃料噴射孔５２０１から外部に燃料が噴射されることはない。
【００４４】
ここで、ソレノイド５２０８に駆動電圧（駆動電流）を印加すると、電磁力の作用によりプランジャロッド５２０４がスプリング５２０９の付勢力に抗してコア５２０５側へと移動し、プランジャロッド５２０４のフランジ５２１１がヨーク５２０３の内側に取り付けられたストッパ５２１２に当接するまでプランジャロッド５２０４が引き上げられる。これにより、図２に示すように、プランジャロッド５２０４の先端部がノズルボディ５２０２の先端内周面から離間して燃料噴射孔５２０１が開放された状態となり、流路内の加圧された燃料が燃料噴射孔５２０１を通って第２インジェクタ５２の外部に噴射される。
【００４５】
そして、ソレノイド５２０８への通電を停止する、または、ソレノイド５２０８に前述の駆動電圧とは極性が反対の駆動電圧を印加すると、プランジャロッド５２０４はスプリング５２０９の付勢力、またはソレノイド５２０８の逆方向の電磁力によりノズルボディ５２０２の先端側へ押し戻される。そして、プランジャロッド５２０４の先端部がノズルボディ５２０２の先端内周面に当接して燃料噴射孔５２０１を閉塞することで、燃料の噴射が停止する。
【００４６】
三方弁５３（パージ部、燃料供給配管）は、第２インジェクタ５２のフランジ５２０６に接続する第１フランジ５３１１と貫通配管５４のフランジ５４２に接続する第２フランジ５３１２とを両端とする配管５３１の途中で、サブライン３７に接続する第３フランジ５３２１を端部とする配管５３２が接続された形状を有している。そして、配管５３１と配管５３２の接続位置において円柱形の弁体５３３が配設されている。弁体５３３の軸方向は配管５３１及び配管５３２の軸方向と垂直な方向（図２、図３の紙面の法線方向）となっている。弁体５３３は、アクチュエータ（不図示）により軸方向の回り（周方向）に回動可能となっている。
【００４７】
弁体５３３には連通孔５３３１及び連通孔５３３２が形成されている。連通孔５３３１は、配管５３１及び配管５３２の内径とほぼ同じ内径であって弁体５３３の側面から弁体５３３の中心軸を通過して直線状に延びて反対側に貫通したものである。また、連通孔５３３１は、図２において配管５３１と同心となるように図３において配管５３２と同心となるように配置されている。連通孔５３３２は、連通孔５３３１とほぼ同じ内径であって、弁体５３３の側面において連通孔５３３１に対して周方向にほぼ９０度回転させた位置から中心軸に向かって伸びて連通孔５３３１と合流するものである。また、連通孔５３３２は、図２において配管５３２と同心となるように図３において配管５３１と同心となるように配置されている。
【００４８】
図２に示すように、弁体５３３は通常、連通孔５３３１の一方の開口部が第１フランジ５３１１の開口部に対向し、連通孔５３３１の他方の開口部が第２フランジ５３１２の開口部に対向する向きに配置され、第１フランジ５３１１の開口部と第２フランジ５３１２の開口部が互いに連通している。このとき、連通孔５３３２の開口部は三方弁５３の配管５３１の内壁により閉塞され、配管５３１の配管５３２との接続部分は弁体５３３により閉塞されている。
【００４９】
一方、図３に示すように、アクチュエータ（不図示）を駆動させると、連通孔５３３２の開口部が第２フランジ５３１２の開口部に対向し、連通孔５３３１の他方の開口部が第３フランジ５３２１の開口部に対向することで、第２フランジ５３１２の開口部と第３フランジ５３２１の開口部が互いに連通する。このとき、連通孔５３３１の一方の開口部は三方弁５３の配管５３１の内壁により閉塞され、配管５３１の弁体５３３から第１フランジ５３１１まで部分は、弁体５３３により配管５３１の弁体５３３から第２フランジ５３１２までの部分から遮断されている。
【００５０】
貫通配管５４は、基端にフランジ５４２を備えるとともに先端に燃料噴射孔５４１を備え、当該先端が触媒燃焼器４（図４）に接続されたものである。
【００５１】
図２に示すように、第１フランジ５３１１の開口部と第２フランジ５３１２の開口部が連通した状態で第２インジェクタ５２を駆動させると燃料を燃料供給配管（三方弁５３及び貫通配管５４）に供給することができる。ここで、貫通配管５４の先端に形成された燃料噴射孔５４１の内径（Ｄ１）は、第２インジェクタ５２の燃料噴射孔５２０１の内径（Ｄ２）よりも小さく形成され、Ｄ１＜Ｄ２となっている。これにより、燃料供給配管に供給された燃料は、燃料供給配管に燃料が満たされるまで燃料噴射孔５４１からの燃料の排出はなく、また排出されたとしてその流量は不安定となる。そして、燃料供給配管に燃料が充填されると、当該充填された燃料が第２インジェクタ５２から供給されるさらなる燃料から圧力を受け、当該充填された燃料を燃料噴射孔５４１から触媒燃焼器４に所定の流量で排出（噴射）することができる。
【００５２】
図１に示すように、サブライン３７（パージ部）は、カソードライン３（メインライン）の熱交換器３６と燃料電池スタック１との間となる位置から分岐し、三方弁５３に接続している。サブライン３７は、常時第１コンプレッサー３２（及びスロットル３４）に連通しており、第１コンプレッサー３２（及びスロットル３４）が駆動する限り、所定の圧力を燃料供給配管側に印加している。また、燃料電池スタック１（マニホールド）においては圧力損失が大きく発生する。このため、サブライン３７内（燃料供給配管内）の圧力は触媒燃焼器４内の圧力よりも高くなる。
【００５３】
したがって、図３に示すように、弁体５３３を回転させると、サブライン３７内の空気が燃料供給配管（三方弁５３及び貫通配管５４）に入り込み、残留燃料を燃料噴射孔５４１に向けてパージする（押し出す）ことができる。なお、配管５３１において第１フランジ５３１１と弁体５３３と囲まれた領域に満たされた燃料はそのまま残留することになる。しかし、当該領域の容積は燃料供給配管全体の容積に比べて小さく設計することが可能である。また当該領域に残った燃料は次の起動制御時に触媒燃焼器４に排出（噴出）される。
【００５４】
なお、サブライン３７は、カソードライン３において触媒燃焼器４内の圧力よりも高くなり、且つサブライン３７に連通した燃料供給配管内の圧力が触媒燃焼器４の圧力よりも高くなる位置であれば、どの位置からでも分岐することが可能である。例えば、図１のように、サブライン３７（実線）を熱交換器３６と燃料電池スタック１との間から分岐させることにより、所定の圧力の空気を分岐させるとともに熱交換器３６により加熱された空気を燃料供給配管に供給することができる。したがって、残留燃料を所定の圧力でパージすることが可能であるとともに、当該燃料が当該空気により加熱されて気化しやすくなり、燃料噴射時の拡散性を高めることができる。
【００５５】
また、例えば、熱交換器３６よりも上流となる位置からサブライン３７ａ（破線）を分岐させることにより、サブライン３７ａとして最も高い圧力を得ることができ、燃料供給配管内の燃料を確実に排出することができる。
【００５６】
さらに、例えば、カソードライン３において燃料電池スタック１の直後の位置においてサブライン３７として分岐できる上記の条件を満たす場合、その位置からサブライン３７ｂ（破線）を分岐させてもよい。これにより、サブライン３７ｂ用の空気として最も高い温度の空気を得ることができ、燃料供給配管内の燃料を確実に加熱して気化させることで、燃料噴射時に拡散性を高めることができる。
【００５７】
［触媒燃焼器４の構造］
図４は、第１実施形態の燃料燃焼システムにおいて触媒燃焼器４に燃料及び空気を供給する場合における触媒燃焼器４等の断面図である。図５は、触媒燃焼器４において燃料が局所的に供給される場合における触媒燃焼器４等の断面図である。図６は、第１実施形態の燃料燃焼システムにより燃料供給配管に残留した燃料を触媒燃焼器４に排出する場合における触媒燃焼器４等の断面図である。
【００５８】
図４に示すように、触媒燃焼器４は、断熱ケース７内に収容され、円筒形の筐体４１を有している。また、貫通配管５４は、断熱ケース７の筐体４１に対向する位置を貫通し、触媒燃焼器４の筐体４１に接続される。
【００５９】
筐体４１の軸方向（水平方向）の一方の端部には、カソードガス（カソードオフガス）とアノードガス（アノードオフガス）が混合した未燃焼ガス（起動制御時はカソードガスのみ）を導入する導入口４４を有し、軸方向の他方の端部には貫通配管５４が取り付けられ、筐体４１の側面に燃焼後の排気ガスを排出する排気口４５を有する。
【００６０】
筐体４１の内部には、導入口４４から導入された未燃焼ガス等を筐体４１内部の周縁側に流通させる円筒形の外側流通路４２と筐体４１内部の中央部を流通する内側流通路４３が形成されている。また内側流通路４３の貫通配管５４側には、円錐面形状の上流円錐部４３１を備え、その反対側には下流円錐部４３２を備え、下流円錐部４３２は屈曲配管４３３を経由して排気口４５に接続している。
【００６１】
上流円錐部４３１の内側側面は内側流通路４３と対向し、外側側面は外側流通路４２に対向している。そして、上流円錐部４３１には多数の導入孔４３１１が形成されており、外側流通路４２にある未燃焼ガスはこの導入孔４３１１から内側流通路４３に導入される。また、貫通配管５４は、燃料噴射孔５４１が上流円錐部４３１の円錐面形状の頂点となる位置に重なるように配置されている。
【００６２】
図示は省略しているが、外側流通路４２と、上流円錐部４３１の内側側面と、には風向板がそれぞれ取り付けられ、未燃焼ガス等が外側流通路４２及び内側流通路４３において軸周りに螺旋状に回転しながら流通する。未燃焼ガス等は、外側流通路４２内を螺旋状に流通する際に、外側流通路４２と内側流通路４３とを隔絶する壁面からの熱により加熱される。また、起動制御時において、内側流通路４３に螺旋状に回転するように導入されたカソードガスは、燃料噴射孔５４１から排出（噴射）された燃料と混合して攪拌される。
【００６３】
内側流通路４３の軸方向の中央部には、例えばセラミックのハニカム構造を有し軸方向に所定の厚みがある触媒４３４が充填されている。よって、内側流通路４３に入り込んだガスは必ず触媒４３４を通過するようになっている。なお、触媒４３４には、ヒータ（不図示）が取り付けられ、触媒反応が可能となる所定温度になるまで昇温される。
【００６４】
上流円錐部４３１と触媒４３４との軸方向の間隔は、燃料噴射孔５４１から噴射された燃料が触媒４３４の上流円錐部４３１に対向する面の大部分（８０パーセント以上）に供給されるように、燃料噴射孔５４１の噴射角度（α）に応じて設計される。
【００６５】
燃料電池スタック１の起動制御時において、ヒータ（不図示）により触媒４３４が所定温度に到達すると、燃料噴射孔５４１から燃料が噴射され、導入口４４からはカソードガスが供給される。そして、上流円錐部４３１を通過したカソードガスは噴射された燃料と混合し、触媒４３４に接触することで燃焼して無害の排気ガスが生成され、これが排気口４５から排出される。また触媒燃焼器４は、触媒４３４に発生する燃焼時の熱及び排気ガスにより燃料電池スタック１を含め断熱ケース７に収容された構成要素を加熱する。燃料電池スタック１が発電可能な温度に到達すると燃料噴射孔５４１からの燃料の噴射を停止して通常発電制御に移行する。なお、起動制御時における燃料の供給量とカソードガスの流量は、触媒燃焼器４においてリーン燃焼が可能な混合比となるように設定されている。
【００６６】
燃料電池スタック１の通常発電制御時において、導入口４４からはカソードガス（カソードオフガス）とアノードガス（アノードオフガス）が混合された未燃焼ガスが導入され、未燃焼ガスは触媒４３４に接触することで燃焼して無害の排気ガスが生成され、これが排気口４５から排出される。なお、通常発電制御時におけるアノードガス（アノードオフガス）の流量とカソードガス（カソードオフガス）の流量は、触媒燃焼器４においてリーン燃焼が可能な混合比となるように設定されている。ここで、当該混合比は空気過剰率λが４程度になる混合比であることが好適である。また、空気過剰率λ＝１は、カソードガスに含まれる酸素と燃料が完全燃焼する場合のカソードガスと燃料の混合比に対応するものであり、λが１よりも大きくなると未反応分の酸素が増え、λが１よりも小さくなると未反応分の燃料が増えることになる。
【００６７】
ところで、起動終了後、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に残留燃料を放置しておくと、不測のタイミングで当該残留燃料が燃料垂れを起こし、燃料噴射孔５４１から排出されてしまう場合がある。燃料がこのように排出された場合、起動制御時のように第２インジェクタ５２（図２）側からの圧力がないので、その分だけ排出（噴射）の強度は小さくなる。
【００６８】
よって、排出された燃料は、図５に示すように、内側流通路４３の底面に滞留し触媒４３４の下部に接触する、或いは、非常に小さな噴射角度（β＜α）で噴射されて触媒４３４に燃料を供給することになる。この状態で酸素に接触すると触媒４３４において燃料が接触する部分のみで局所的な燃焼反応が発生して局所的な温度上昇が発生する。この局所的な温度上昇は触媒燃焼器４内に熱歪を発生させることになり、触媒燃焼器４の破損や性能低下を招く虞がある。
【００６９】
そこで、本実施形態では、図６（及び図３）に示すように、起動終了時に残留燃料を、サブライン３７を経由したカソードガスを用いてパージする。これにより所定の圧力で燃料を燃料噴射孔５４１から噴射角度（γ＞β）で噴射させ、燃料をある程度拡散させた状態で触媒４３４に供給することができ、触媒４３４における燃料の集中度を低下させた状態で燃料を燃焼させることで熱歪を低減させることができる。
【００７０】
ところで、本実施形態において、サブライン３７はメインライン（カソードライン３）から分岐したものである。よってサブライン３７にカソードガスが供給されるとその分メインラインのカソードガスの流量が低下する。またサブライン３７に供給された空気は残留燃料をパージするものの当該空気がパージした燃料の燃焼に用いられる割合は少ない。したがって、触媒燃焼器４におけるリーン燃焼の条件を満たさない場合が発生し、そのような燃焼が原因で触媒燃焼器４の性能低下を招く虞もある。
【００７１】
そこで、本実施形態では、起動制御において燃料供給配管内に残留した燃料をパージして触媒燃焼器４に排出するとともに触媒燃焼器４における燃焼状態（リーン燃焼）を維持する制御を行う。
【００７２】
［第１実施形態が適用される燃料電池システムの起動制御］
図７は、第１実施形態の燃料燃焼システムが適用される燃料電池システムの起動制御のフローチャートである。第１実施形態の燃料燃焼方法が適用される燃料電池システムの起動制御について説明する。まず、ステップＳ１０１において、制御部９は、触媒燃焼器４のヒータ（不図示）をＯＮにする。
【００７３】
ステップＳ１０２において、制御部９は、触媒４３４の温度が触媒反応に必要な所定温度に到達したか否かを判断し、Ｙｅｓ（是）であればステップＳ１０３に移行し、Ｎｏ（否）であればステップＳ１０２を継続する。この判断は、実際に触媒４３４の温度を測定する温度センサ８１（図１）を取り付け、温度センサ８１からの温度の情報に基づいて行う。または、ヒータ（不図示）の出力に基づいて触媒４３４の温度が所定温度に到達するまでの所定時間を算出し、ヒータ（不図示）の駆動後当該所定時間が経過した否かで判断する。
【００７４】
ステップＳ１０３において、制御部９は、ヒータ（不図示）をＯＦＦにするとともにポンプ２３、第２インジェクタ５２、第１コンプレッサー３２をＯＮにし、スロットル３４を所定の開度に制御する。これにより、燃料タンク２１内の燃料がポンプ２３、第２インジェクタ５２、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）を介して触媒燃焼器４内の触媒４３４に供給（噴射）される。また、所定の流量のカソードガスが触媒燃焼器４に供給される。
【００７５】
ここで、第１コンプレッサー３２の出力及びスロットル３４の開度は、カソードガスの流量と燃料との混合比（カソードガスの流量／燃料の流量）が、燃料をリーン燃焼可能な最小混合比（空気過剰率λ＝１）以上となるように制御される。
【００７６】
そして、触媒４３４に接触した燃料がカソードガス（酸素）と触媒反応を起こして燃焼し、触媒燃焼器４を加熱するとともに排気ガスを排出し、これが蒸発器２６及び熱交換器３６を加熱する。熱交換器３６を経由した排気ガスはマフラー等を介して外部に排出される。また、触媒燃焼器４が加熱されることで燃料電池スタック１を含む断熱ケース７に収容された構成要素が加熱され、カソードガスは熱交換器３６を経由することで加熱される。
【００７７】
ステップＳ１０４において、制御部９は、触媒燃焼器４への燃料供給量、すなわち燃料噴射孔５４１から排出する燃料噴射量を演算する。ここで、前記のように、第２インジェクタ５２から排出された燃料は、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に満たされるまで燃料噴射孔５４１からはほとんど排出されず（排出されたとしてもその流量は不安定）、燃料供給配管に燃料が満たされてから燃料噴射孔５４１から燃料が所定の流量で排出される。
【００７８】
そこで、制御部９は、燃料供給配管に燃料が満たされるまで充填時間が経過するまで燃料供給量をゼロ（またはゼロ以外の所定流量）に近似し、その後燃料噴射孔５４１から排出される燃料の流量に基づいて燃料供給量（積算量）を演算する。
【００７９】
ここで、充填時間は、ポンプ２３の出力（負荷電流）、第２インジェクタ５２の燃料噴射孔５２０１の内径（Ｄ１）、燃料供給配管全体の容積、三方弁５３の第１フランジ５３１１と弁体５３３との間の空間に残留した（充填された）燃料の容積、燃料の粘度等に基づいて算出することも可能であるが、実験的に得られた値を用いてもよい。なお、図２、図３に示すように、三方弁５３の第１フランジ５３１１と弁体５３３との間の空間の容積は、燃料供給配管全体の容積に比べて十分小さくなるように設計することが可能であり、この場合当該空間に残留する燃料は実質的にゼロとみなすことができる。
【００８０】
また、燃料噴射孔５４１から排出される燃料の流量は、ポンプ２３の出力（負荷電流）、第２インジェクタ５２の燃料噴射孔５２０１の内径（Ｄ２）、貫通配管５４の燃料噴射孔５４１の内径（Ｄ１）、燃料の粘度等に基づいて算出することも可能であるが、実験的に得られた値を用いてもよい。
【００８１】
ステップＳ１０５において、制御部９は、燃料供給量が第１判断基準量に到達したか否か判断する。ここで第１判断基準量とは、燃料電池スタック１が発電可能な温度に到達するまで（且つ改質器２８において燃料を改質可能な温度に到達するまで）に触媒燃焼器４で燃焼する燃料の所定量から応答時間相当量（後述）を差し引いた量である。また、応答時間相当量とは、ステップＳ１０３におけるカソードガスの流量から後述のステップＳ１０６におけるカソードガスの流量（目標値）に変化するまでの応答時間内に燃料噴射孔５４１から触媒燃焼器４に供給する燃料供給量である。そしてステップＳ１０５においてＹｅｓ（是）であればステップＳ１０６に移行し、Ｎｏ（否）であればステップＳ１０４に戻る。
【００８２】
ステップＳ１０６において、制御部９は、カソードライン３（メインライン）のカソードガスの流量を増加させる。ここで、カソードガスの流量の増加は第１コンプレッサー３２の出力及びスロットル３４の開度を制御することにより行うが、その増加量は、サブライン３７に供給するカソードガスの流量、またはそれ以上の量となる。
【００８３】
ステップＳ１０７において、制御部９は、ステップＳ１０４と同様に燃料供給量を算出し、ステップＳ１０８において、制御部９は、燃料供給量が所定量（または第２判断基準量（後述））に到達したか否か判断し、Ｙｅｓ（是）であればステップＳ１０９に移行し、Ｎｏ（否）であればステップＳ１０７に戻る。ここで、第２判断基準量とは、前記の所定量から残留燃料の量を差し引いた量である。当該残留燃料の量は事前に測定してデータとして保持することができる。
【００８４】
ステップＳ１０９において、制御部９は、第２インジェクタ５２をＯＦＦにして触媒燃焼器４に対する燃料供給を停止する。ステップＳ１０９を実施する段階で、メインライン（カソードライン３）のカソードガスの流量は増加後の流量となっている。
【００８５】
ステップＳ１１０において、制御部９は、三方弁５３の弁体５３３（アクチュエータ）を駆動させて三方弁５３においてサブライン３７と燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）とを連通させる。これにより、サブライン３７から供給されたカソードガスが燃料供給配管内に残留した燃料を燃料噴射孔５４１から触媒燃焼器４に排出（噴射）する態様で燃料をパージする。
【００８６】
ここで、ステップＳ１１０においてパージされた燃料が、ステップＳ１０３における燃料と同様に燃料噴射孔５４１から噴射（図４）される場合には、ステップＳ１１０におけるカソードライン３（メインライン）のカソードガスの流量が、ステップＳ１０３におけるカソードライン３（メインライン）のカソードガスの流量とほぼ同一となるように、ステップＳ１０６におけるカソードガスの流量の増加量を制御すればよい。これにより、触媒燃焼器４において、パージした燃料をリーン燃焼可能なカソードガスとの混合比で燃焼させることができる。
【００８７】
また、ステップＳ１１０においてパージされた燃料が、図５に示すように、ある程度局所的に触媒４３４に噴射される場合には、ステップＳ１１０におけるカソードライン３（メインライン）のカソードガスの流量が、ステップＳ１０３におけるカソードライン３（メインライン）のカソードガスの流量よりも多くなるように、ステップＳ１０６におけるカソードガスの流量の増加量を制御すればよい。これにより、触媒燃焼器４において局所的な燃料の燃焼があっても、カソードガスとの混合比を増加させることで燃焼温度を低下させることでき、これにより触媒燃焼器４における熱歪を低下させることができる。
【００８８】
また、ステップＳ１１０においてパージされた燃料が、ステップＳ１０３における燃料と同様に燃料噴射孔５４１から噴射（図４）される場合であっても、サブライン３７（後述の第２コンプレッサー５５も同様）により残留燃料を排出させたときの噴射強度が、第２インジェクタ５２により燃料を排出させたときの噴射強度よりも高い場合は、ステップＳ１１０におけるカソードライン３（メインライン）のカソードガスの流量が、ステップＳ１０３におけるカソードライン３（メインライン）のカソードガスの流量よりも多くなるように、ステップＳ１０６におけるカソードガスの流量の増加量を制御すればよい。これにより、触媒燃焼器４においてリーン燃焼が可能な混合比を維持するようにカソードガスの流量を増加させることで触媒燃焼器４の性能劣化を抑制することができる。
【００８９】
ステップＳ１１１において、制御部９は、ステップＳ１０９から移行したのち所定時間経過したか否か判断し、Ｙｅｓ（是）であればステップＳ１１２に移行し、Ｎｏ（否）であればステップＳ１１１を維持する。この場合の所定時間は、サブライン３７から供給された空気により燃料供給配管内の燃料がパージされ触媒燃焼器４で燃焼されるまでの時間を考慮して設定する。
【００９０】
ステップＳ１１２において、制御部９は、三方弁５３を初期状態に戻す。これにより、サブライン３７と燃料供給配管とは遮断される。
【００９１】
ステップＳ１１３において、制御部９は、カソードライン３（メインライン）のカソードガスの流量を増加前の流量に戻す。このようにカソードガスの流量を元の流量に戻すことにより触媒４３４の温度低下を抑制することができる。なお、ステップＳ１１３は、ステップＳ１１２と同時に行ってもよく、またステップＳ１１２の後（三方弁５３の切替制御の応答時間経過後）に行ってもよい。
【００９２】
以上より、起動制御は終了し、通常発電制御に移行する。
【００９３】
ステップＳ１０８において、制御部９が第２判断基準量に基づいて制御した場合には、その後、ステップＳ１１１においての燃料供給配管に残留した燃料が触媒燃焼器４に供給され、結果的に触媒燃焼器４には所定量の燃料が供給される。したがって、残留燃料の量の分の無駄な供給を回避することができる。
【００９４】
ここで、残留燃料の量が応答時間相当量よりも大きい場合には、ステップＳ１０４、ステップＳ１０５、ステップＳ１０６よりも先に、ステップＳ１０７、ステップＳ１０８、ステップＳ１０９が実行される。
【００９５】
また、ステップＳ１０４、ステップＳ１０５は省略することができる。この場合、例えば、ステップＳ１０８からステップＳ１０９に移行しても、ステップＳ１０９はただちに実行せず、上記の応答時間だけ遅らせてから実行すればよい。
【００９６】
なお、燃料電池スタック１に取り付けた温度センサ８２（図１）により燃料電池スタック１の温度を測定可能であれば、燃料電池スタック１の温度に基づいて起動制御が可能である。
【００９７】
例えば、ステップＳ１０４において燃料電池スタック１の温度を測定し、ステップＳ１０５において、燃料電池スタック１の温度がカソードガスの増加を判断する判断基準温度（燃料電池スタック１の温度が発電可能な温度よりも所定温度低い温度）に到達したか否かを判断し、Ｙｅｓ（是）であればステップＳ１０６に移行し、Ｎｏ（否）であればステップＳ１０４に戻るようにすればよい。
【００９８】
その後、ステップＳ１０７において燃料電池スタック１の温度を測定し、ステップＳ１０８において、燃料電池スタック１の温度が発電可能な温度に到達するか否か判断し、Ｙｅｓ（是）であればステップＳ１１０に移行し、Ｎｏ（否）であればステップＳ１０７に戻るようにすればよい。
【００９９】
［第１実施形態のタイムチャート］
図８は、メインライン（カソードライン３）の空気供給、サブライン３７の空気供給、燃料供給ライン５の燃料供給、及びアノードライン２の燃料供給のタイムチャートである。
【０１００】
図８は、図７のフローに基づいて制御した場合のタイムチャートであり、通常発電制御時に動作するアノードライン２の燃料供給も追加している。
【０１０１】
初期状態（ｔ０）として、メインラインにおいては所定の流量のカソードガスが供給され（状態Ａ）、触媒燃焼器４には所定の流量の燃料が供給されている（状態Ｂ）（ステップＳ１０３）。
【０１０２】
時刻ｔ１において、触媒燃焼器４に供給される燃料供給量が第１判断基準量に到達すると（ステップＳ１０５）、メインラインのカソードガスの流量を増加させる（状態Ｃ）（ステップＳ１０６）。
【０１０３】
時刻ｔ２において、触媒燃焼器４に供給される燃料供給量が所定量（または第２判断基準量）に到達すると（Ｓ１０８）、第２インジェクタ５２をＯＦＦにして燃料供給を停止し（ステップＳ１０９）、三方弁５３の切替制御を行う（ステップＳ１１０）。
【０１０４】
時刻ｔ２（または時刻ｔ２から三方弁５３の応答時間経過後）において、サブライン３７から燃料供給配管に空気が供給され、残留燃料を排出する（状態Ｄ）。このときサブライン３７の空気は、初め燃料供給配管から排出されずに残留燃料をパージし（状態Ｅ）、その後残留燃料とともに燃料噴射孔５４１から排出される（状態Ｆ）。
【０１０５】
時刻ｔ３において、残留燃料の排出が完了し、その後、時刻ｔ４において三方弁５３を初期状態に戻すとともにメイラインのカソードガスの流量を元の流量に戻す（状態Ｇ）（ステップＳ１１２、ステップＳ１１３）。また、時刻ｔ３において第１インジェクタ２５をＯＮにすることによりアノードライン２（改質器２８、燃料電池スタック１等）への燃料供給を開始する（状態Ｈ）ことで、起動制御は終了し、通常発電制御となる。
【０１０６】
なお、状態Ｃにおいて、サブライン３７が状態Ｅになると、メインライン（燃料電池スタック１等）におけるカソードガスの流量が状態Ｅに使用される空気の流量（状態Ｆで使用される空気の流量よりも小さいが安定している）の分だけ減少する。その後、状態Ｆになるとメインライン（燃料電池スタック１等）におけるカソードガスの流量が状態Ｆに使用される空気の流量の分だけ減少する。ここで、状態Ｆに使用される空気の流量は、燃料供給ライン５が状態Ｄになっている間は不安定であり、状態Ｄを過ぎると安定する、また、第１判断基準量が第２判断基準量よりも大きい場合には、時刻ｔ１と時刻ｔ２の順番が入れ替わることになる。
【０１０７】
［燃料電池システムの通常発電制御時における動作］
次に、燃料電池システムの通常発電制御時における動作について説明する。燃料電池システムの通常発電制御時において、制御部９は、開閉弁２４を開放するとともに第１インジェクタ２５を駆動させ、ポンプ２３により吸引された燃料が第１インジェクタ２５に供給され、第１インジェクタ２５により所定の流量の燃料が蒸発器２６に供給されると燃料は蒸発器２６において気化し、気化した燃料が熱交換器２７により加熱され、加熱された燃料が改質器２８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１（アノード）に供給される。
【０１０８】
一方、カソードガスが熱交換器３６により昇温され燃料電池スタック１（カソード）に供給される。
【０１０９】
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１では、電気化学反応により電力が発生してＤＣ−ＤＣコンバータ６１に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触媒燃焼器４に導入される。
【０１１０】
触媒燃焼器４（触媒４３４）では、アノードオフガス、カソードオフガスが混ざった未燃焼ガスを触媒反応により燃焼して排気ガスを生成し、これが蒸発器２６及び熱交換器３６を加熱する。
【０１１１】
［燃料電池システムの停止制御の手順］
次に、燃料電池システムの停止制御の手順について説明する。燃料電池システムが停止制御を開始すると、制御部９は、カソードガスの供給を継続するとともに、ポンプ２３及び第１インジェクタ２５を停止し、開閉弁２４を閉止する。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１の発電が停止する。このとき、制御部９は、遮断弁２９を閉止し、カソードガス等が触媒燃焼器４及びアノードライン２を経由して燃料電池スタック１のアノードにまで逆流することを防止し、アノードの劣化を抑制する。
【０１１２】
その後、制御部９は、燃料電池スタック１の温度を測定し、当該温度が所定温度、すなわち、アノードが劣化しない温度にまで低下すると第１コンプレッサー３２を停止し、スロットル３４を閉止する。これにより停止制御は終了する。なお、遮断弁２９は開放してもよいが、閉じたままにしておく場合は、次の起動制御時に開放する。
【０１１３】
［第１実施形態の効果］
以上説明したように、第１実施形態の燃料燃焼方法は、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）を介して触媒燃焼器４に供給された燃料を空気と混合して燃焼する燃料燃焼方法であって、燃料の供給を停止させたのち燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）内に残留する燃料を触媒燃焼器４に排出するとともに、触媒燃焼器４の燃焼状態を維持するように触媒燃焼器４に供給する空気の流量を制御する。
【０１１４】
これを実現する燃料燃焼システムは、燃料を空気と混合して燃焼する触媒燃焼器４と、触媒燃焼器４に燃料を供給する燃料供給部（第２インジェクタ５２）と、触媒燃焼器４に空気を供給する空気供給部（カソードライン３、第１コンプレッサー３２、スロットル３４）と、空気供給部（カソードライン３、第１コンプレッサー３２、スロットル３４）及び燃料供給部（第２インジェクタ５２）を制御する制御部９と、を備え、燃料供給部（第２インジェクタ５２）が触媒燃焼器４に接続された燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）を介して燃料を触媒燃焼器４に供給する燃料燃焼システムである。燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）には、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）内の燃料を排出するパージ部（三方弁５３、サブライン３７）が取り付けられている。制御部９は、燃料供給部（第２インジェクタ５２）の駆動を停止させたのちパージ部（三方弁５３）を駆動させて燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）内に残留した燃料を触媒燃焼器４に排出するとともに、空気供給部（第１コンプレッサー３２、スロットル３４）の出力を触媒燃焼器４内の燃焼状態（リーン燃焼）を維持するように制御する。
【０１１５】
上記方法及び構成により、燃料供給の停止後に燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）内に残留した燃料を意図的に排出することで燃料垂れによる予期しないタイミングでの局所的燃焼を防止することができる。また、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）内に残留した燃料を意図的に排出することで触媒燃焼器４内に燃料を拡散させ、その際に触媒燃焼器４に供給する空気の流量を制御して燃料と空気との混合比を変化（増加）させることで、燃料の燃焼に伴う温度上昇を抑制し、触媒燃焼器４における局所的な温度上昇を低減することで、触媒燃焼器４の破損や性能低下を防止することができる。
【０１１６】
第１実施形態において、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に空気を供給した後の触媒燃焼器４に供給される空気の流量が燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に空気を供給する前の触媒燃焼器４に供給される空気の流量以上となるように、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に供給する空気と触媒燃焼器４に供給する空気との合計流量を制御する。すなわち、制御部９は、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に空気を供給した後の触媒燃焼器４に供給される空気の流量が燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に空気を供給する前の触媒燃焼器４に供給される空気の流量以上となるように空気供給源（第１コンプレッサー３２、スロットル３４）の出力を制御する。
【０１１７】
これにより、燃料供給部（第２インジェクタ５２）の燃料供給を停止したのち燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）から排出される燃料の触媒燃焼器４に対する供給状態に関わらず触媒燃焼器４における燃焼状態（リーン燃焼）を維持し、触媒燃焼器４の性能低下を抑制することができる。
【０１１８】
第１実施形態において、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）内の燃料を排出する前に触媒燃焼器４に供給する空気の流量を増加させる。すなわち、制御部９は、パージ部（三方弁５３）を駆動させる前に空気供給部（第１コンプレッサー３２、スロットル３４）の出力を増加させる。
【０１１９】
これにより、燃料供給部（第２インジェクタ５２）の燃料供給停止後に燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）から排出された燃料が触媒燃焼器４に供給（噴射）されても、触媒燃焼器４における燃焼状態（リーン燃焼）を安定的に維持することができる。
【０１２０】
第１実施形態において、触媒燃焼器４に所定量の燃料を供給する場合において、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に対して所定量から燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）内に残留した燃料の量（燃料供給配管の容積）を差し引いた量（第２判断基準量）を供給した段階で燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）への燃料の供給を停止する。すなわち、触媒燃焼器４に所定量の燃料を供給する場合において、制御部９は、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に対して所定量から燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）内に残留した燃料の量（燃料供給配管の容積）を差し引いた量（第２判断基準量）を供給した段階で燃料供給部（第２インジェクタ５２）の駆動を停止する。
【０１２１】
これにより、燃料供給の停止後に残留燃料が触媒燃焼器４に供給され、結果的に触媒燃焼器４には所定量の燃料が供給される。したがって、残留燃料の量の分の無駄な供給を回避することができる。
【０１２２】
第１実施形態において、パージ部（三方弁５３）の駆動時に、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４、及びサブライン３７）内の圧力が触媒燃焼器４内の圧力よりも高くなるように構成されている。
【０１２３】
これにより、残留燃料を確実に触媒燃焼器４に排出することができる。また、残留燃料をパージする際にメインラインのカソードガスの供給源（第１コンプレッサー３２）以外の供給源が不要となるので、その分、システム全体のコストを抑制することができる。
【０１２４】
第１実施形態において、触媒燃焼器４に供給する空気の一部を分岐させて燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に導入することで燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）内の燃料を排出する。すなわち、空気供給部は、触媒燃焼器４に接続するメインライン（カソードライン３）と、メインラインに空気を供給する空気供給源（第１コンプレッサー３２）と、を備え、パージ部は、メインラインから分岐したサブライン３７と、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に取り付けられサブライン３７に接続した空気導入部（三方弁５３）と、備える。
【０１２５】
これにより、簡易な構成で、パージ部を構築することができる。
【０１２６】
また、第１実施形態の燃料燃焼システムを適用した燃料電池システムは、第１には、上記の燃料燃焼システムを燃料電池（燃料電池スタック１）に適用した燃料電池システムであって、燃料電池（燃料電池スタック１）は、メインライン（カソードライン３）であって触媒燃焼器４よりも空気の上流側に介装されている。
【０１２７】
これにより、熱歪による破損や性能低下のない触媒燃焼器４を搭載した燃料電池システムとなる。
【０１２８】
第２には、上記の燃料燃焼システムを燃料電池（燃料電池スタック１）に適用した燃料電池システムであって、燃料電池（燃料電池スタック１）は、メインライン（カソードライン３）であって触媒燃焼器４よりも空気の上流側に介装され、メインラインの燃料電池（燃料電池スタック１）よりも空気の上流側には触媒燃焼器４から排出された排気ガスにより空気を加熱する熱交換器３６が介装され、サブライン３７は、メインライン（カソードライン３）の熱交換器３６と燃料電池（燃料電池スタック１）の間となる位置から分岐している。
【０１２９】
これにより、所定の圧力の空気を分岐させるとともに熱交換器３６により加熱された空気を燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に供給することができる。したがって、残留燃料を所定の圧力でパージすることが可能であるとともに、当該燃料が当該空気により加熱されて気化しやすくなり、燃料噴射時の拡散性を高めることができる。
【０１３０】
第３には、触媒燃焼器４は、燃料電池（燃料電池スタック１）を加熱可能である。これにより、燃料電池スタック１を加熱する他の構成要素が不要となり、その分コストを抑制することができる。
【０１３１】
［第２実施形態］
図９は、第２実施形態の燃料燃焼システムが適用される燃料電池システムの主要構成を示すブロック図である。なお、第２実施形態において、第１実施形態と共通の構成要素は同一番号を付し、必要な場合を除いてその説明を省略する。
【０１３２】
第２実施形態の燃料燃焼システムは、第１実施形態とは異なりサブライン３７はなく、パージ部（第２コンプレッサー５５（ガス供給源）、三方弁５３（ガス導入部））のガス供給源が、メインライン（カソードライン３）の空気供給源（第１コンプレッサー３２）とは異なるものとなっている。
【０１３３】
第２コンプレッサー５５は、フィルタ５６を通じて吸引した空気を燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に供給するものである。第２コンプレッサー５５は、三方弁５３に接続されるが、その出力は、三方弁５３において燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）を第２コンプレッサー５５側に連通させた場合の燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）内の圧力が触媒燃焼器４内の圧力よりも高くなるように設定される。これにより、残留燃料を第２コンプレッサー５５からの空気の圧力により燃料噴射孔５４１から排出（噴射）させることができる。なお、第２コンプレッサー５５以外のガス供給源としては、窒素等の不活性ガスを封入したガスボンベ等が適用できる。
【０１３４】
前記のように、第２実施形態では、サブライン３７がないため、残留燃料を排出（噴射）させる場合にメインライン（カソードライン３）のカソードガスの流量が低下することはない。
【０１３５】
［第２実施形態が適用される燃料電池システムの起動制御］
第２実施形態の燃料燃焼システムが適用される燃料電池システムの起動制御は、第１実施形態と同様であるが、例えばステップＳ１０６とともに第２コンプレッサー５５をＯＮにし、ステップＳ１１３とともに第２コンプレッサー５５をＯＦＦにすればよい。
【０１３６】
なお、第２コンプレッサー５５による空気の圧力が十分強く、ステップＳ１０３おける燃料と同様に燃料噴射孔５４１から噴射（図４）される場合には、ステップＳ１０４、ステップＳ１０５、ステップ１０６を省略することができる。すなわち、メインライン（カソードライン３）のカソードガスの流量を維持することができる。
【０１３７】
［第２実施形態の効果］
第２実施形態の燃料燃焼方法は、触媒燃焼器４に供給する空気の供給源（第１コンプレッサー３２）とは異なる他の供給源（第２コンプレッサー５５、ガスボンベ）からのガスを燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に導入することで燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）内の燃料を排出する。
【０１３８】
これを実現する第２実施形態の燃料燃焼システムにおいて、空気供給部は、触媒燃焼器４に接続するメインライン（カソードライン３）と、メインライン（カソードライン３）に空気を供給する空気供給源（第１コンプレッサー３２）と、を備え、パージ部は、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）に取り付けられたガス導入部（三方弁５３）と、ガス導入部（三方弁５３）にガス（空気、または窒素等の不活性ガス）を供給するガス供給源（第２コンプレッサー５５、ガスボンベ）と、を備える。
【０１３９】
上記方法及び構成により、燃料供給配管（三方弁５３、貫通配管５４）内に残留した燃料を確実に触媒燃焼器４に排出（噴射）させるとともに触媒燃焼器４内の燃焼状態（リーン燃焼）を維持することができる。
【０１４０】
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。
【符号の説明】
【０１４１】
１    燃料電池スタック
３    カソードライン
３２  第１コンプレッサー
３７  サブライン
４    触媒燃焼器
５２  第２インジェクタ
５３  三方弁
５４  貫通配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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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