(57)【要約】  燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に対する燃料の供給に関わる第１噴射装置と、燃料貯蔵部から第１噴射装置に至る燃料流路において、第１噴射装置の上流側に備わる第２噴射装置と、を備える。第１および第２噴射装置は、燃料流路から下流側に続く流路を、第１噴射装置を介する第１流路と、第２噴射装置を介する第２流路と、で互いに切換可能である。第２噴射装置は、燃料電池システムの運転中に第１噴射装置よりも低い頻度で作動する。
2019229877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に対する燃料の供給に関わる第１噴射装置と、
燃料貯蔵部から前記第１噴射装置に至る燃料流路において、前記第１噴射装置の上流側に備わる第２噴射装置と、
を備え、
前記第１および第２噴射装置は、前記燃料流路から下流側に続く流路を、前記第１噴射装置を介する第１流路と、前記第２噴射装置を介する第２流路と、で互いに切換可能であり、
前記第２噴射装置は、当該燃料電池システムの運転中に前記第１噴射装置よりも低い頻度で作動する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記第２噴射装置は、当該燃料電池システムの暖機時に作動し、
前記第１噴射装置は、当該燃料電池システムの、前記暖機時以外の通常時に作動する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
燃焼器と、
原燃料の処理により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、
前記燃料貯蔵部は、前記原燃料を貯蔵し、
前記第２噴射装置は、前記第２流路を介して前記燃焼器に接続され、
前記第１噴射装置は、前記第１流路を介して前記燃料処理部に接続されている、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記第２噴射装置は、噴射流量が前記１噴射装置よりも多い、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１および第２噴射装置は、当該燃料電池システムのうち、前記燃料貯蔵部よりも高温となる箇所に設けられている、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池が収容された第１恒温室と、
当該燃料電池システムの運転中に前記第１恒温室よりも低い温度に保持される第２恒温室と、
をさらに備え、
前記第１および第２噴射装置は、前記第２恒温室に収容されている、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料流路の少なくとも一部を形成する燃料レールをさらに備え、
前記第１および第２噴射装置は、前記燃料レールに装着されている、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料レールは、前記燃料貯蔵部と連通する導入口を有し、
前記第２噴射装置は、前記燃料レールに対し、前記導入口よりも下流側に装着され、
前記第１噴射装置は、前記第２噴射装置よりも下流側の、前記燃料レールの端部に装着されている、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記第１噴射装置は、噴射方向が前記燃料レールにおける流れの方向と平行である、
燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料電池と、
前記燃料電池の原燃料を噴射する第１噴射装置と、
前記原燃料を噴射する第２噴射装置と、
前記原燃料の貯蔵部から延在する燃料流路の少なくとも一部を形成する燃料レールと、
を備え、
前記第１および第２噴射装置は、前記燃料レールに装着され、
前記第２噴射装置は、
前記燃料レールにおける流れの方向に対して前記第１噴射装置の上流側に設けられ、
当該燃料電池システムの運転中に前記第１噴射装置よりも低い頻度で作動する、
燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池と、
原燃料の処理により前記燃料電池の燃料ガスを生成する燃焼処理部と、
燃焼器と、
前記原燃料を噴射する複数の噴射装置と、
を備え、
前記噴射装置は、
前記燃料処理部に対して前記原燃料を供給可能に接続された第１噴射装置と、
前記燃焼器に対して前記原燃料を供給可能に接続され、前記原燃料の貯蔵部から前記第１噴射装置に至る燃料流路において、前記第１噴射装置の上流側に設けられた第２噴射装置と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項１２】
原燃料を噴射する複数の噴射装置を備える燃料電池システムの運転方法であって、
第１噴射装置と、前記原燃料の貯蔵部から前記第１噴射装置に至る燃料流路において、前記第１噴射装置の上流側に備わる第２噴射装置と、の動作を制御し、
前記燃料電池システムが高温状態にあるシステム高温時に、前記第２噴射装置を停止させる一方、前記第１噴射装置を介して前記原燃料を流通させて、燃料電池に燃料を供給し、
前記燃料電池システムが低温状態にあるシステム低温時に、前記第１噴射装置を停止させる一方、前記第２噴射装置を介して前記原燃料を流通させて、当該システムの暖機を実行する、
燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料を噴射する複数の噴射装置を備える燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＪＰ２００５−１００７７２Ａには、燃料電池の原燃料を噴射する噴射装置として、複数の噴射装置を備える燃料電池システムが開示されている。具体的には、燃焼器の主燃焼部を供給対象とする主燃料噴射弁と、燃焼器の副燃焼部を供給対象とする副燃料噴射弁と、を備える燃料電池システムであり、主燃料噴射弁と副燃料噴射弁とは、状況に応じて使い分けられる（段落００１７）。
【発明の概要】
【０００３】
このように、複数の噴射装置を備える燃料電池システムにおいて、当該システムの運転中、実際に作動させる噴射装置を状況に応じて切り換えるようにした場合は、次のことが問題となる。一部の噴射装置の作動を停止させることで、噴射装置の配置によっては原燃料の流路に滞留が生じ、これが停止中の噴射装置または作動中の噴射装置の状態に影響を及ぼすことである。この問題は、滞留が生じた場合に、原燃料を冷媒とした充分な冷却効果が得られなくなることから、固体酸化物形燃料電池等、動作温度の高い燃料電池を備えるシステムにおいて、より顕著となる。
【０００４】
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その運転方法を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明の一形態では、燃料電池と、燃料電池に対する燃料の供給に関わる第１噴射装置と、燃料貯蔵部から第１噴射装置に至る燃料流路において、第１噴射装置の上流側に備わる第２噴射装置と、を備え、第１および第２噴射装置は、燃料流路から下流側に続く流路を、第１噴射装置を介する第１流路と、第２噴射装置を介する第２流路と、で互いに切換可能である。第２噴射装置は、当該燃料電池システムの運転中に第１噴射装置よりも低い頻度で作動する。
【０００６】
他の形態では、燃料電池システムの運転方法が提供される。
【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全体的な構成を示す概略図である。
【図２】図２は、同上実施形態に係る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３】図３は、同上実施形態に係る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４】図４は、同上システムにおける第１燃料インジェクタと第２燃料インジェクタとの位置関係を示す説明図である。
【図５】図５は、同上システムの基本的な制御の流れを示すフローチャートである。
【図６】図６は、第１燃料インジェクタと第２燃料インジェクタとの位置関係の他の例（第１変形例）を示す説明図である。
【図７】図７は、第１燃料インジェクタと第２燃料インジェクタとの位置関係の更に別の例（第２変形例）を示す説明図である。
【図８】図８は、第１燃料インジェクタと第２燃料インジェクタとの位置関係の更に別の例（第３変形例）を示す説明図である。
【図９】図９は、第１燃料インジェクタと第２燃料インジェクタとの位置関係の更に別の例（第４変形例）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の構成を概略的に示している。
【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、制御部であるコントローラ１０１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、固体酸化物形燃料電池（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、図示しないアノードオフガス通路と、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、図示しないカソードオフガス通路と、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。燃料処理部２は、アノードガス通路１１に介装され、車上に搭載可能な貯蔵部である燃料タンク（「燃料貯蔵部」または「原燃料の貯蔵部」に相当する）８から原燃料の供給を受ける（矢印Ａ１、Ａ２）。本実施形態において、原燃料は、水含有含酸素燃料であり、具体的には、含酸素燃料であるエタノールと水との混合物（エタノール水溶液）である。燃料処理部２は、気化器、燃料熱交換器および改質器からなり、燃料タンク８から原燃料の供給を受け、気化器における原燃料の蒸発および燃料熱交換器における加熱後、改質器により生成された水素を、燃料ガスとして燃料電池スタック１に供給する。改質器は、改質用触媒を備え、エタノールから、水蒸気改質により水素を生成する。
【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。本実施形態において、酸化剤ガス加熱部３は、空気熱交換器として構成され、常温（例えば、２５℃）の空気を加熱し、燃料電池スタック１に供給する。
【００１４】
ここで、固体酸化物形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）
【００１６】
燃焼器４は、原燃料を燃焼させ、原燃料の燃焼ガスを生成する。燃焼器４は、燃料タンク８から原燃料の供給を受けるとともに（矢印Ａ１、Ａ３）、酸化剤ガスの供給を受ける（矢印Ｃ）。本実施形態において、燃焼器４は、燃焼用触媒を備え、エタノールの触媒燃焼により燃焼ガスを生成する。原燃料の燃焼により生じた熱量または燃焼ガスが有する熱量は、燃料電池スタック１ばかりでなく、燃料処理部２および酸化剤ガス加熱部３に供給することが可能である。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。燃料処理部２では、燃焼ガスの熱量により気化器および改質器を加熱するとともに、燃料熱交換器において、燃焼ガスとの熱交換により原燃料（本実施形態では、蒸発後のエタノールガス）を加熱することができ、酸化剤ガス加熱部３では、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを加熱することができる。
【００１７】
コントローラ１０１は、燃料処理部２および酸化剤ガス加熱部３に対する原燃料、酸化剤ガスの供給を制御するとともに、燃焼器４に対する原燃料および酸化剤ガスの供給を制御する。
【００１８】
本実施形態において、燃料処理部２に対する原燃料の供給は、第１燃料インジェクタ（「第１噴射装置」に相当する）５１により実行され、燃焼器４に対する原燃料の供給は、第２燃料インジェクタ（「第２噴射装置」に相当する）５２により実行される。第２燃料インジェクタ５２は、燃料タンク８から第１燃料インジェクタ５１に至る原燃料の流路（「燃料流路」に相当する）ｐ０の途中で、第１燃料インジェクタ５１の上流側に設けられている。他方で、酸化剤ガス加熱部３に対する酸化剤ガスの供給は、エアコンプレッサとして例示される空気供給装置７により実行される。燃焼器４に対する酸化剤ガスの供給は、これに限定されるものではないが、カソードオフガス通路を燃焼器４に接続することで、酸化剤ガス加熱部３と共用の空気供給装置７により、燃料電池スタック１のカソード系の通路（カソードガス通路、カソードオフガス通路）を介して行うことが可能である。
【００１９】
ここで、図４を参照して、第１および第２燃料インジェクタ５１、５２周辺の構成について、より具体的に説明する。図４は、燃料電池システムＳにおける第１燃料インジェクタ５１と第２燃料インジェクタ５２との位置関係を示している。
【００２０】
本実施形態では、燃料タンク８と燃料電池スタック１のアノード極とをつなぐアノードガス通路１１のうち、燃料タンク８から第１燃料インジェクタ５１に至る燃料流路ｐ０の一部を、第１および第２燃料インジェクタ５１、５２に共用の燃料レール６により形成する。これに限定されるものではないが、第１燃料インジェクタ５１は、燃料レール６のうち、流れの方向に対して最も下流側の部位に、導管等の他の流路部材を介在させずに直に装着され、第２燃料インジェクタ５２は、第１燃料インジェクタ５１よりも上流側の部位に、第１燃料インジェクタ５１と同様に直に装着されている。そして、燃料レール６は、上流側では、燃料ポンプ９を介して燃料タンク８に接続され、下流側では、第１燃料インジェクタ５１およびその下流側に続く流路（「第１流路」に相当する）ｐ１を介して燃料処理部２に接続され、第２燃料インジェクタ５２およびその下流側に続く流路（「第２流路」に相当する）ｐ２を介して燃焼器４に接続されている。ここに、燃料タンク８から延在する燃料流路ｐ０（燃料レール６を含む）および第１燃料インジェクタ５１から続く流路ｐ１は、カソードガス通路１１の一部を形成する。
【００２１】
図１に戻り、第１燃料インジェクタ５１、第２燃料インジェクタ５２およびエアコンプレッサ７は、コントローラ１０１からの指令信号に応じて作動する。第１燃料インジェクタ５１は、燃料流路ｐ０（本実施形態では、燃料レール６）から続く第１流路ｐ１を介して燃料処理部２に原燃料を供給する。第２燃料インジェクタ５２は、燃料流路ｐ０を流れる原燃料を、第１流路ｐ１とは異なる第２流路ｐ２に導入し、第２流路ｐ２を介して燃焼器４に供給する。第１燃料インジェクタ５１と燃料処理部２との接続、第２燃料インジェクタ５２と燃焼器４との接続は、配管により夫々実現可能である。換言すれば、第１燃料インジェクタ５１は、第１流路ｐ１を形成する導管により燃料処理部２に接続され、第２燃料インジェクタ５２は、第２流路ｐ２を形成する導管により燃焼器４に接続されている。
【００２２】
本実施形態において、第１燃料インジェクタ５１および第２燃料インジェクタ５２は、燃料電池システムＳのうち、その運転中に原燃料の温度が燃料タンク８の内部における温度よりも上昇する箇所に設けられている。具体的には、燃料電池システムＳの構成要素のうち、エアコンプレッサ７、燃料タンク８およびコントローラ１０１等の一部を除くシステムＳ全体が断熱ケースＲｈ、Ｒｃに収容されている。そして、断熱ケースＲｈ、Ｒｃの内部が大きく２つに区画され、一方の高温室（「第１恒温室」に相当する）Ｒｈには、燃料電池スタック１、燃料処理部２、酸化剤ガス加熱部３および燃焼器４が、他方の低温室（「第２恒温室」に相当する）Ｒｃには、第１および第２燃料インジェクタ５１、５２が、夫々収容されている。低温室Ｒｃには、冷却水配管が通され、燃料電池システムＳの運転中、内部の温度が高温室Ｒｈよりも低い温度に維持される。エアコンプレッサ７、燃料タンク８およびコントローラ１０１は、断熱ケースＲｈ、Ｒｃの外部に配置され、常温下で管理される。図１は、高温室Ｒｈの範囲を二点鎖線により、低温室Ｒｃの範囲を一点鎖線により、夫々概念的に示している。高温室Ｒｈと低温室Ｒｃとの間には、高温室Ｒｈから低温室Ｒｃへの熱の伝達を抑制するため、図示しない断熱部材が設置されている。第１および第２燃料インジェクタ５１、５２は、この断熱部材を貫通する導管を介して燃料処理部２、燃焼器４に接続されている。一例として、燃料電池システムＳの運転中における温度は、高温室Ｒｈが５００〜８００℃であり、低温室Ｒｃが外気温〜２００℃である。
【００２３】
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。
【００２４】
（制御システムの構成および動作）
第１燃料インジェクタ５１、第２燃料インジェクタ５２およびエアコンプレッサ７、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１０１により制御される。本実施形態において、コントローラ１０１は、電子制御ユニットとして構成され、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。
【００２５】
コントローラ１０１は、燃料電池システムＳの起動時（以下「システム起動時」という場合がある）に、燃料電池システムＳの暖機を行う起動制御を実行し、停止中に低温状態（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。固体酸化物形燃料電池の動作温度は、５００℃以上であり、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、起動制御により動作温度にまで上昇させる。
【００２６】
コントローラ１０１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２０１からの信号を入力する。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状態を示す指標であり、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。コントローラ１０１は、起動制御に関わる情報として、スタック温度Ｔstk以外に、燃料処理部２（例えば、改質器）の温度および燃焼器４の温度等を入力する。燃料処理部２の温度は、燃料処理部２の燃料ガス出口付近に温度センサを設置することにより検出可能であり、燃焼器４の温度は、燃焼器４の燃焼ガス出口付近に温度センサを設置ことにより検出可能である。
【００２７】
コントローラ１０１は、システム起動時において、スタック温度Ｔstkをもとに燃料電池システムＳの暖機の要否を判定する。そして、燃料電池システムＳの温度が低く、暖機を要すると判定した場合は、スタック温度Ｔstkに応じた量の原燃料を、第２燃料インジェクタ５２を介して燃焼器４に供給し、燃焼器４により原燃料を燃焼させて、燃料電池スタックＳの暖機を実行する。
【００２８】
さらに、コントローラ１０１は、燃料電池システムＳの温度が上昇し、暖機が完了した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、燃料電池スタック１の最大発電出力での運転を実行する。コントローラ１０１は、燃料電池スタック１の定格運転に要する原燃料の供給量を設定し、この通常時供給量の原燃料を、第１燃料インジェクタ５１を介して燃料電池システムＳ（つまり、燃料処理部２）に供給する。
【００２９】
図５は、コントローラ１０１が実行する制御の基本的な流れをフロー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１０１は、図５に示す制御ルーチンを所定周期で実行するようにプログラムされている。
【００３０】
Ｓ１０１では、燃料電池システムＳの起動指令があったか否かを判定する。起動指令の有無は、運転者が行うシステム起動スイッチ２０２のオン操作があったか否かにより判定することが可能である。起動指令があった場合は、Ｓ１０２以降へ進んで起動制御を実行し、それ以外の場合は、起動指令があるまで待機する。
【００３１】
Ｓ１０２では、第２燃料インジェクタ５２を作動させ、燃焼器４に対し、燃料電池システムＳの温度状態に応じた量の原燃料を供給する。具体的には、スタック温度Ｔstkに基づき、燃料電池システムＳの暖機に要する熱量を燃焼器４により生じさせるための起動時供給量を算出し、起動時供給量の原燃料を、第２燃料インジェクタ５２を介して燃焼器４に供給する。本実施形態において、起動時供給量は、燃料電池スタック１の定格運転に要する原燃料の供給量、つまり、通常時供給量よりも多く、第２燃料インジェクタ５２は、第１燃料インジェクタ５１よりも噴射流量が多い燃料インジェクタである。
【００３２】
Ｓ１０３では、燃料電池システムＳの暖機が完了したか否かを判定する。暖機が完了したか否かは、スタック温度Ｔstkが上昇し、暖機の完了を示す所定温度に達したか否かにより判定することが可能である。暖機が完了した場合は、Ｓ１０４へ進み、完了していない場合は、Ｓ１０２へ戻り、第２燃料インジェクタ５２を引き続き作動させて、暖機を継続する。
【００３３】
Ｓ１０４では、燃料電池システムＳの暖機が完了したとして起動制御を終了し、通常制御に移行する。つまり、作動させる燃料インジェクタを第２燃料インジェクタ５２から第１燃料インジェクタ５１に切り換え、第１燃料インジェクタ５１により、通常時供給量の原燃料量を燃料処理部２に供給する。
【００３４】
（燃料電池システムの動作説明）
図２および３は、燃料電池システムＳの作動状態を示しており、図２は、燃料電池システムＳの起動時における作動状態を、図３は、システム起動後、つまり、暖機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矢印を付して示し、ガスの流通が停止している通路を細い実線により示している。
【００３５】
システム起動時では、第１燃料インジェクタ５１を介する原燃料の供給を停止させ、燃料電池システムＳの暖機に要する原燃料を、第２燃料インジェクタ５２を介して燃焼器４に供給する（図２）。他方で、エアコンプレッサ７を作動させて、燃焼器４に酸化剤ガスを供給する。原燃料の燃焼により生じた熱量により燃料処理部２および酸化剤ガス加熱部３を加熱し、燃料電池スタック１および燃料電池システムＳの暖機を促進する。システム起動時は、燃料電池システムＳが低温状態にある「システム低温時」に相当する。
【００３６】
システム起動後の通常時では、第２燃料インジェクタ５２の作動を停止させ、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５１を介して燃料処理部２に供給する（図３）。図示しないアノードオフガス通路およびカソードオフガス通路をいずれも燃焼器４に接続することで、アノードオフガス中の残燃料を燃焼器４で燃焼させることが可能であり、これにより、燃料処理部２に対して原燃料の改質（水蒸気改質）を継続させるのに必要な熱量を供給するとともに、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ことができる。通常時は、燃料電池システムＳが高温状態にある「システム高温時」に相当する。
【００３７】
システム起動時およびその後の通常時を通じ、燃料レール６内部の圧力は、大きな偏りがなく、略均一に保たれ、よって、第１燃料インジェクタ５１および第２燃料インジェクタ５２には、略同等の燃圧がかかる。
【００３８】
（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。
【００３９】
第１に、燃料タンク８から第１燃料インジェクタ５１に至る燃料流路ｐ０（本実施形態では、燃料レール６により形成される流路）において、燃料電池システムＳの運転中、より高い頻度で作動させる第１燃料インジェクタ５１を下流側に、第１燃料インジェクタ５１よりも低い頻度で作動させる第２燃料インジェクタ５２を上流側に配置した。これにより、第２燃料インジェクタ５２の作動を停止させた場合に、第２燃料インジェクタ５２の下流側で原燃料の流れに滞留が生じるのを抑制することが可能となる。
【００４０】
図４を参照して具体的に説明すると、第２燃料インジェクタ５２の停止中に、第１燃料インジェクタ５１を作動させることにより、燃料流路ｐ０のうち、第２燃料インジェクタ５２の下流側（点線Ａにより示す）で原燃料の流れが引き続き確保され、滞留が抑制される。
【００４１】
これにより、燃料流路ｐ０における滞留が停止中の第２燃料インジェクタ５２および作動中の第１燃料インジェクタ５１に及ぼす影響を抑制することが可能となる。
【００４２】
具体的には、燃料タンク８から第１燃料インジェクタ５１に至る燃料流路ｐ０において、原燃料を冷媒とした冷却効果を確保し、停止中の第２燃料インジェクタ５２にかかる熱負荷を軽減することができる。これにより、例えば、第２燃料インジェクタ５２で使用されているＯリング等の樹脂部材に過大な熱負荷がかかることで、その劣化が過度に進行するのを防止することができる。
【００４３】
さらに、滞留により燃料流路ｐ０における原燃料の温度に局所的な上昇が生じるのを抑制し、燃料処理部２に対し、第１燃料インジェクタ５１を介して原燃料を安定して供給することができる。
【００４４】
ここで、第１燃料インジェクタ５１の配置が第２燃料インジェクタ５２よりも下流側であることから、第１燃料インジェクタ５１の停止中は、第２燃料インジェクタ５２の下流側で滞留が生じる。しかし、そのような状況が生じるのは、燃料電池システムＳの作動中、比較的低い頻度に過ぎないことから、滞留の影響が大きくなり過ぎる前に、作動させる燃料インジェクタを切り換え、影響の緩和を図ることが可能である。
【００４５】
以上の効果は、第１および第２燃料インジェクタ５１、５２が燃料タンク８におけるよりも原燃料の温度が高くなる箇所に設けられたシステムＳにおいて、より良好に得られる。そして、燃料電池スタック１が高温室Ｒｈ（第１恒温室）に収容され、第１および第２インジェクタ５１、５２が低温室Ｒｃ（第２恒温室）に収容されたシステムＳでは、燃料電池スタックＳの暖機を促進するとともに、暖機完了後はその温度を保持し、さらに、燃料電池スタックＳを熱源とする第１および第２燃料インジェクタ５１、５２の受熱を抑制することが可能となる、という効果を併せて得ることができる。
【００４６】
第２に、第２燃料インジェクタ５２を燃料電池システムＳの暖機時に作動させ、第１燃料インジェクタ５１を暖機完了後の通常時に作動させることで、以上の効果を効果的に得ることが可能となる。
【００４７】
暖機時では、燃料電池システムＳ全体の温度が低く、燃料流路ｐ０（本実施形態では、燃料レール６）が燃焼ガスの熱量を受けたとしても、その温度が大きく上昇することはない。よって、第２燃料インジェクタ５２の下流側で滞留が生じたとしても、それが第２燃料インジェクタ５２に対する熱負荷等の観点で大きな問題となることはない。これに対し、暖機完了後の通常時では、燃料電池システムＳ全体の温度が相対的に高く、システムＳを構成する部品の温度も上昇していることから、燃料流路ｐ０の受熱が問題となるが、第１および第２燃料インジェクタ５１、５２の配置の工夫により燃料流路ｐ０における滞留が抑制されることで、原燃料による冷却効果を確保し、第２燃料インジェクタ５２にかかる熱負荷を軽減しながら、燃料電池システムＳに対し、第１燃料インジェクタ５１を介して原燃料を安定して供給することができる。
【００４８】
第３に、第１燃料インジェクタ５１と第２燃料インジェクタ５２とで噴射特性を異ならせ、第２燃料インジェクタ５２の噴射流量を第１燃料インジェクタ５１よりも多くしたことで、より多くの原燃料を供給するのが一時的であるシステムＳにおいて、通常時に第２燃料インジェクタ５２を停止させることにより燃料流路ｐ０に滞留が生じるのを抑制することが可能となる。そして、燃料電池システムＳの暖機時に第２燃料インジェクタ５２を介してより多くの原燃料を供給することで、以上の効果に併せ、暖機の進行を速めることができる。
【００４９】
以上の説明では、第１燃料インジェクタ５１および第２燃料インジェクタ５２を燃料レール６に装着するとともに、第１燃料インジェクタ５１を燃料レール６の最も下流側の部位に、第２燃料インジェクタ５２を燃料レール６の略中間の部位に配置した。しかし、第１および第２燃料インジェクタ５１、５２の配置は、これに限定されるものではなく、燃料流路ｐ０における流れの方向に対して第２燃料インジェクタ５２が第１燃料インジェクタ５１の上流側にある限りにおいて、種々の変更が可能である。
【００５０】
図６〜９は、第１燃料インジェクタ５１と第２燃料インジェクタ５２との配置に関する変形例を示している。
【００５１】
図６は、第１変形例として、原燃料の流れ方向に、第１燃料インジェクタ５１を燃料レール６の最も下流側の部位に、第２燃料インジェクタ５２を最も上流側の部位に配置した場合を示している。第１燃料インジェクタ５１と第２燃料インジェクタ５２とは、互いに近接させて配置してもよいし、離間させて配置してもよい。第１燃料インジェクタ５１を最も下流側の部位に配置したことで、燃料レール６の全体に亘って滞留を抑制し、第１燃料インジェクタ５１にかかる燃圧の変動を低減するとともに、局所的な温度の上昇を抑制することが可能となる。
【００５２】
図７は、第２変形例として、原燃料の流れ方向に、第２燃料インジェクタ５２を燃料レール６の最も上流側の部位に、第１燃料インジェクタ５１を略中間の部位に配置した場合を示している。この配置によると、第１燃料インジェクタ５１の下流側で滞留が生じることになるが、第２燃料インジェクタ５２が配置される部位における原燃料の流れが保持されることから、滞留の影響が第２燃料インジェクタ５２に及ぶのを抑制することが可能である。
【００５３】
図８は、第３変形例として、原燃料の流れ方向に、第１燃料インジェクタ５１を燃料レール６の最も下流側の部位に、複数の第２燃料インジェクタ５２ａ、５２ｂを第１燃料インジェクタ５１よりも上流側の部位に配置した場合を示している。第２燃料インジェクタ５２は、１つである必要はなく、原燃料の供給対象に応じた数の第２燃料インジェクタ５２ａ、５２ｂを設置することが可能である。例えば、主燃焼用の燃焼器と副燃焼用の燃焼器とが存在する場合に、燃焼器ごとに第２燃料インジェクタ５２ａ、５２ｂを設置する。ここで、主燃焼器と副燃焼器とで作動させる頻度が異なる場合は、より頻度の低い燃焼器に対応する第２燃料インジェクタを上流側に配置するのが好ましい。
【００５４】
図９は、第４変形例として、原燃料の流れ方向に、第１燃料インジェクタ５１を燃料レール６の最も下流側の部位に、第２燃料インジェクタ５２を最も上流側の位置に配置し、さらに、第１燃料インジェクタ５１を、その噴射方向が燃料レール６における原燃料の流れ方向と平行になるように配置した場合を示している。これにより、燃料レール６の全体に亘って滞留を抑制するばかりでなく、燃料レール６から第１燃料インジェクタ５１に向かう原燃料の流れが円滑となり、燃料レール６における滞留をより効果的に抑制することが可能となる。
【００５５】
第１および第２燃料インジェクタ５１、５２は、燃料レール６に装着するばかりでなく、燃料タンク８と第１燃料インジェクタ５１とを導管を介して接続するとともに、燃料タンク８から第１燃料インジェクタ５１に至る配管の途中に第２燃料インジェクタ５２を配置してもよい。
【００５６】
さらに、以上の説明では、第１燃料インジェクタ５１と第２燃料インジェクタ５２とを択一的に作動させることとしたが、これに限らず、択一的な作動を基本としながら、状況に応じて両者を同時に作動させることも可能である。例えば、暖機時には、第２燃料インジェクタ５２のみを作動させる一方、暖機完了後の通常時には、第１燃料インジェクタ５１による燃料の供給を基本としながら、燃料処理部２における温度の低下等により加熱の必要がある場合に、第１燃料インジェクタ５１に加えて第２燃料インジェクタ５２をも作動させるのである。
【００５７】
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】
2019229877.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成30年12月19日(2018.12.19)
【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、
燃料貯蔵部に接続された、前記燃料電池に対する燃料の供給に関わる第１噴射装置と、
前記燃料貯蔵部から前記第１噴射装置に至る、前記第１噴射装置と共通の燃料が供給される燃料流路において、前記第１噴射装置の上流側に備わる第２噴射装置と、
を備え、
前記第１および第２噴射装置は、前記燃料流路から下流側に続く流路を、前記第１噴射装置を介する第１流路と、前記第２噴射装置を介する第２流路と、で互いに切換可能であり、
前記第２噴射装置は、当該燃料電池システムの運転中に前記第１噴射装置よりも低い頻度で作動する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記第１および第２噴射装置は、前記第１流路と前記第２流路とで、前記燃料流路から下流側に続く流路を択一的に切り換える、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記第２噴射装置は、当該燃料電池システムの暖機時に作動し、
前記第１噴射装置は、当該燃料電池システムの、前記暖機時以外の通常時に作動する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
燃焼器と、
原燃料の処理により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、
前記燃料貯蔵部は、前記原燃料を貯蔵し、
前記第２噴射装置は、前記第２流路を介して前記燃焼器に接続され、
前記第１噴射装置は、前記第１流路を介して前記燃料処理部に接続されている、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記第２噴射装置は、噴射流量が前記１噴射装置よりも多い、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１および第２噴射装置は、当該燃料電池システムのうち、前記燃料貯蔵部よりも高温となる箇所に設けられている、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池が収容された第１恒温室と、
当該燃料電池システムの運転中に前記第１恒温室よりも低い温度に保持される第２恒温室と、
をさらに備え、
前記第１および第２噴射装置は、前記第２恒温室に収容されている、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料流路の少なくとも一部を形成する燃料レールをさらに備え、
前記第１および第２噴射装置は、前記燃料レールに装着されている、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料レールは、前記燃料貯蔵部と連通する導入口を有し、
前記第２噴射装置は、前記燃料レールに対し、前記導入口よりも下流側に装着され、
前記第１噴射装置は、前記第２噴射装置よりも下流側の、前記燃料レールの端部に装着されている、
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、
前記第１噴射装置は、噴射方向が前記燃料レールにおける流れの方向と平行である、
燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池と、
前記燃料電池の原燃料を噴射する第１噴射装置と、
前記原燃料を噴射する第２噴射装置と、
前記原燃料の貯蔵部から延在する燃料流路の少なくとも一部を形成する燃料レールと、
を備え、
前記第１および第２噴射装置は、前記燃料レールに装着され、
前記第２噴射装置は、
前記燃料レールにおける前記原燃料の流れの方向に対して前記第１噴射装置の上流側に設けられ、
当該燃料電池システムの運転中に前記第１噴射装置よりも低い頻度で作動する、
燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池と、
原燃料の処理により前記燃料電池の燃料ガスを生成する燃焼処理部と、
燃焼器と、
前記原燃料を噴射する複数の噴射装置と、
を備え、
前記噴射装置は、
前記原燃料の貯蔵部に接続され、前記燃料処理部に対して前記原燃料を供給可能に接続された第１噴射装置と、
前記燃焼器に対して前記原燃料を供給可能に接続され、前記原燃料の貯蔵部から前記第１噴射装置に至る燃料流路において、前記第１噴射装置の上流側に設けられた第２噴射装置と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項１３】
原燃料を噴射する複数の噴射装置を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記原燃料の貯蔵部に接続された第１噴射装置と、前記原燃料の貯蔵部から前記第１噴射装置に至る燃料流路において、前記第１噴射装置の上流側に備わる第２噴射装置と、の動作を制御し、
前記燃料電池システムが高温状態にあるシステム高温時に、前記第２噴射装置を停止させる一方、前記第１噴射装置を介して前記原燃料を流通させて、燃料電池に燃料を供給し、
前記燃料電池システムが低温状態にあるシステム低温時に、前記第１噴射装置を停止させる一方、前記第２噴射装置を介して前記原燃料を流通させて、当該システムの暖機を実行する、
燃料電池システムの運転方法。
【国際調査報告】
2019229877.tif 000012
2019229877.tif 000013