特許 6981089 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6981089

(24)【登録日】2021年11月22日

(45)【発行日】2021年12月15日

(54)【発明の名称】燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0606 20160101AFI20211202BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20211202BHJP

   C01B 3/32 20060101ALI20211202BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20211202BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20211202BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/0606

   H01M8/04225

   C01B3/32 Z

   H01M8/10

   !H01M8/12

【請求項の数】14

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-154107(P2017-154107)

(22)【出願日】2017年8月9日

(65)【公開番号】特開2019-33023(P2019-33023A)

(43)【公開日】2019年2月28日

【審査請求日】2020年6月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】特許業務法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】間野 忠樹

(72)【発明者】

【氏名】柳澤 政成

(72)【発明者】

【氏名】山根 友和

【審査官】 橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０１８３６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−００４３７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１９１６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１１５５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１３４１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１６０３６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３６２９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３４４５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−００４４６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２０１００２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ ３／０２−６／３４

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原燃料を改質する改質器を備え、前記改質器により生成される燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムであって、
前記改質器に原燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃料供給装置と前記改質器との間の燃料通路に配置される加熱器と、
前記加熱器よりも上流の前記燃料通路又は前記燃料供給装置に酸化剤ガスを供給するアクチュエータと、
前記燃料電池から排出される燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃料供給装置と前記加熱器との間の前記燃料通路に配置された蒸発器と、
前記燃焼器で生じた排ガスを外部に排出する燃焼器排気通路と、を含み、
前記改質器、前記加熱器、及び前記蒸発器は、前記燃焼器で生じた排ガスの熱により加熱され、
前記燃焼器排気通路は、前記燃焼器から前記改質器、前記加熱器、前記蒸発器の順に経由して外部に連通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、
前記アクチュエータは、前記蒸発器に前記酸化剤ガスを供給する、
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、
前記燃料供給装置は、前記原燃料を噴射する噴射装置を含み、
前記アクチュエータは、前記噴射装置の噴射先に前記酸化剤ガスを供給する、
燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給装置をさらに含み、
前記酸化剤供給装置は、前記アクチュエータとして、前記加熱器よりも上流の前記燃料通路又は前記燃料供給装置に酸化剤ガスを供給する、
燃料電池システム。

【請求項5】

請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記アクチュエータは、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスを前記加熱器よりも上流の前記燃料通路又は前記燃料供給装置に供給する、
燃料電池システム。

【請求項6】

請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料通路又は前記燃料供給装置での原燃料に対する酸化剤ガスの比率λが１以上となるように前記燃料供給装置及びアクチュエータのうち少なくも一方の動作を制御するコントローラをさらに含む、
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、
前記燃料電池の温度を推定又は検出する電池検出部をさらに含み、
前記コントローラは、前記電池検出部から出力される前記燃料電池の温度が所定の閾値よりも低い場合に、前記比率λが１以上となるように前記アクチュエータの動作を制御する、
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、
前記所定の閾値は、前記酸化剤ガスに起因する前記燃料電池のアノードの酸化が発生する温度範囲の下限値に設定される、
燃料電池システム。

【請求項9】

請求項６から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記改質器の温度を推定又は検出する改質器検出部をさらに含み、
前記コントローラは、前記改質器検出部から出力される前記改質器の温度が特定の閾値に達した場合に、前記比率λが１以上となるように前記アクチュエータの動作を制御する、
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、
前記特定の閾値は、前記改質器が原燃料を改質できる温度に設定される、
燃料電池システム。

【請求項11】

請求項６から請求項１０までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃焼器に原燃料を供給する他の燃料供給装置、を備え、
前記アクチュエータは、前記燃焼器に酸化剤ガスを供給し、
前記コントローラは、前記燃焼器での原燃料に対する酸化剤ガスの比率λが１以上となるように前記他の燃料供給装置及び前記アクチュエータのうち少なくとも一方の動作を制御する、
燃料電池システム。

【請求項12】

請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
前記コントローラは、前記燃料電池又は前記改質器の温度が所定の閾値を上回った場合には、前記比率λを１よりも小さくする、
燃料電池システム。

【請求項13】

請求項６から請求項１２までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記コントローラは、前記燃料電池を起動する場合に、前記燃料通路又は前記燃料供給装置における前記比率λが１以上となるように前記アクチュエータの動作を制御する、
燃料電池システム。

【請求項14】

改質器に原燃料を供給する燃料供給装置と前記改質器との間の燃料通路に配置される加熱器と、前記燃料供給装置と前記加熱器との間の前記燃料通路に配置された蒸発器と、を備え、前記改質器により生成される燃料ガスを燃料電池に供給するとともに前記燃料電池から排出された燃料ガスを燃焼器で燃焼する燃料電池システムの制御方法であって、
前記改質器に原燃料を供給する燃料供給ステップと、
前記改質器、前記加熱器、及び蒸発器を前記燃焼器で生じた排ガスの熱により加熱する際に前記加熱器よりも上流の前記燃料通路又は前記燃料供給装置に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給ステップと、
を含み、
前記排ガスを、前記燃焼器から前記改質器、前記加熱器、前記蒸発器の順に経由して外部に放出させ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】

この発明は、原燃料を改質して燃料電池に燃料ガスを供給する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムとして、水蒸気改質反応と部分酸化反応とを併用する改質器への原燃料の温度が上昇するよう原燃料を気化する気化器と改質器との間に加熱器を配置した燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このように、気化器と改質器との間に加熱器を配置することで、改質器での部分酸化反応に必要となる空気の供給流量を減らすことが可能になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５−２０１２９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述のような燃料電池システムにおいては、改質器に供給される原燃料の温度は上昇するものの、気化器からの原燃料を加熱する加熱器よりも上流の燃料通路において炭素析出が生じるおそれがある。

【0005】

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、その目的は、燃料通路での炭素析出を抑制する燃料電池システム及びその制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様によれば、原燃料を改質する改質器を備え、前記改質器により生成される燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムであって、前記改質器に原燃料を供給する燃料供給装置と、前記燃料供給装置と前記改質器との間の燃料通路に配置される加熱器と、前記加熱器よりも上流の前記燃料通路又は前記燃料供給装置に酸化剤ガスを供給するアクチュエータと、前記燃料電池から排出される燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃料供給装置と前記加熱器との間の前記燃料通路に配置された蒸発器と、前記燃焼器で生じた排ガスを外部に排出する燃焼器排気通路と、を含み、前記改質器、前記加熱器、及び前記蒸発器は、前記燃焼器で生じた排ガスの熱により加熱され、前記燃焼器排気通路は、前記燃焼器から前記改質器、前記加熱器、前記蒸発器の順に経由して外部に連通する。

【発明の効果】

【0007】

この態様によれば、原燃料が通過する燃料通路で生じる炭素析出を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムの構成例を示す図である。

【図2】図２は、蒸発器に酸化剤ガスを供給する期間の一例を説明する図である。

【図3】図３は、本実施形態における燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成の一例を示す構成図である。

【0010】

燃料電池システム１００は、燃料電池１０に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池１０を発電させる。燃料電池システム１００は、例えば、車両、飛行機、又は船舶などの移動体に搭載される。本実施形態の燃料電池システム１００は、ハイブリッド車又は電気自動車などの車両に搭載される。

【0011】

燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、酸化剤供給装置２０と、燃料供給装置３０と、加熱装置４０と、燃料改善装置５０と、コントローラ６０と、を含む。

【0012】

燃料電池１０は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する。燃料電池１０は、例えば、固体酸化物形燃料電池又は固体高分子形燃料電池などにより実現される。本実施形態の燃料電池１０は、単一の固体酸化物形燃料電池を複数積層した積層電池である。燃料電池１０は、例えば、自己の温度が６００℃から７００℃に達した状態において、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する。

【0013】

酸化剤供給装置２０は、燃料電池１０の発電に必要となる酸化剤ガスを燃料電池１０に供給する。酸化剤供給装置２０は、酸化剤供給通路２１と、コンプレッサ２２と、酸化剤熱交換器２３と、を備える。

【0014】

酸化剤供給通路２１は、燃料電池１０に酸化剤ガスを供給するための通路である。本実施形態の酸化剤供給通路２１の一端は外気に連通され、他端は燃料電池１０の酸化剤入口孔に接続される。

【0015】

コンプレッサ２２は、酸化剤供給通路２１に設けられるアクチュエータである。コンプレッサ２２は、燃料電池１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給装置を構成する。本実施形態のコンプレッサ２２は、外気から酸化剤ガスを含有する空気を吸引するとともにその空気を圧縮して燃料電池１０に供給する。なお、本実施形態ではアクチュエータとしてコンプレッサ２２が用いられているが、コンプレッサ２２の代りにブロアが用いられてもよい。

【0016】

酸化剤熱交換器２３は、燃料電池１０を暖機するために燃料電池１０に供給される酸化剤ガスを加熱する熱交換器である。本実施形態の酸化剤熱交換器２３は、加熱装置４０によって供給される高温の排ガスとコンプレッサ２２からの空気との間で熱交換を行う。酸化剤熱交換器２３は、熱交換により加熱された空気を燃料電池１０に出力する。

【0017】

燃料供給装置３０は、燃料電池１０の発電に必要となる燃料ガスを燃料電池１０に供給する。燃料供給装置３０は、燃料供給通路３１と、原燃料タンク３２と、燃料ポンプ３３と、インジェクタ３４と、蒸発器３５と、加熱器３６と、改質器３７と、を備える。

【0018】

燃料供給通路３１は、燃料電池１０に燃料ガスを供給するための通路である。本実施形態の燃料供給通路３１の一端は原燃料タンク３２に接続され、他端は燃料電池１０の燃料入口孔に接続される。

【0019】

原燃料タンク３２は、燃料ガスの生成に必要となる原燃料を蓄える。原燃料としては、含酸素燃料及び水を含む水溶液が用いられる。含酸素燃料とは、アルコール又はメチルターシャリーブチルエーテル（ＭＴＢＥ）などの含酸素化合物を含有する燃料のことである。本実施形態の原燃料タンク３２には、原燃料として、例えばエタノール約４０％ｗｔのエタノール水溶液が蓄えられる。

【0020】

燃料ポンプ３３は、原燃料タンク３２の内部に備えられ、原燃料タンク３２に蓄えられた原燃料をインジェクタ３４に供給する。なお、燃料ポンプ３３は、原燃料タンク３２とインジェクタ３４との間であればどの場所に配置してもよい。

【0021】

インジェクタ３４は、蒸発器３５に原燃料を供給する燃料供給装置を構成する。本実施形態のインジェクタ３４は、原燃料を噴射する噴射装置である。インジェクタ３４は、燃料ポンプ３３から供給される原燃料を所定の周期により蒸発器３５に噴射する。

【0022】

蒸発器３５は、インジェクタ３４によって噴射された噴射燃料を気化する。本実施形態の蒸発器３５は、インジェクタ３４から供給される水溶液を気化することにより、改質用の燃料ガスとして水蒸気及び含酸素燃料ガスの混合ガスを生成する。蒸発器３５は、例えば、加熱装置４０により加熱される。

【0023】

加熱器３６は、蒸発器３５から排出される混合ガスを混合ガスの改質に必要となる所定の温度まで上昇させる熱交換器である。本実施形態の加熱器３６は、熱源である加熱装置４０に接触しており、熱源から生じる熱を利用して蒸発器３５からの混合ガスを加熱する。

【0024】

改質器３７は、加熱器３６から排出される混合ガスを改質して燃料ガスを生成する。本実施形態の改質器３７は、含酸素燃料ガス及び水蒸気の混合ガスを改質して水素ガスを生成する。本実施形態の改質器３７は、上述の水蒸気改質反応に加えて、含酸素燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを改質して水素ガスを生成する部分改質反応を利用する。改質器３７で生成された水素ガスは燃料ガスとして燃料電池１０に供給される。改質器３７は、加熱装置４０により加熱される。

【0025】

加熱装置４０は、燃料電池１０、酸化剤熱交換器２３、蒸発器３５、加熱器３６及び改質器３７を加熱する。例えば、加熱装置４０は、燃料電池１０に供給される酸化剤ガス、インジェクタ３４から噴射された原燃料、及び、改質器３７に供給される混合ガスの各々を加熱する。加熱装置４０は、原燃料通路４１と、インジェクタ４２と、燃料電池排気通路４３及び４４と、燃焼器４５と、燃焼器排気通路４６と、を備える。

【0026】

原燃料通路４１は、燃焼器４５に原燃料を通す通路である。本実施形態の原燃料通路４１の一端は、インジェクタ３４よりも上流の燃料供給通路３１から分岐した通路に接続され、他端はインジェクタ４２に接続される。

【0027】

インジェクタ４２は、インジェクタ３４と同一の構成であり、燃料ポンプ３３により供給される原燃料を燃焼器４５に噴射する。

【0028】

燃料電池排気通路４３及び４４は、燃料電池１０から排出される酸化剤ガス及び燃料ガスを燃焼器４５に通す通路である。燃料電池排気通路４３の一端は、燃料電池１０の酸化剤排出孔に接続され、他端は燃焼器４５に接続される。燃料電池排気通路４４の一端は、燃料電池１０の燃料排出孔に接続され、他端は燃焼器４５に接続される。

【0029】

燃焼器４５は、燃料電池１０から排出される酸化剤ガス及び燃料ガスの混合ガスを燃焼させる。また、燃料電池１０の起動直後は燃料電池１０で発電が行われないため、燃焼器４５は、インジェクタ４２から噴射される原燃料を燃焼させる。燃焼器４５は、燃料電池１０からの燃料ガス又は原燃料が燃焼した後の燃焼ガスを燃焼器排気通路４６に排ガスとして出力する。

【0030】

燃焼器排気通路４６は、燃焼器４５からの排ガスを燃料電池システム１００の外部に排出する通路である。燃焼器排気通路４６は、燃焼器４５から酸化剤熱交換器２３を経由して外部に連通するとともに、燃焼器４５から酸化剤熱交換器２３までの経路の途中から分岐して、改質器３７、加熱器３６及び蒸発器３５を順番に経由して外部に連通する。

【0031】

これにより、燃焼器４５で生じた排ガスの熱によって、酸化剤熱交換器２３の空気と、改質器３７、加熱器３６及び蒸発器３５の各混合ガスとが加熱される。例えば、改質器３７から加熱器３６には約６００℃の排ガスが供給され、加熱器３６から蒸発器３５には約２００℃から４００℃の排ガスが供給される。

【0032】

燃料改善装置５０は、インジェクタ３４から噴射した噴射燃料の微粒化又は炭素析出などのガス状態を改善する。燃料改善装置５０は、酸化剤分岐通路５１と、流量制御弁５２と、を備える。

【0033】

酸化剤分岐通路５１は、コンプレッサ２２よりも下流の酸化剤供給通路２１から分岐して、インジェクタ３４から加熱器３６までの原燃料が通過する経路に合流する。本実施形態の酸化剤分岐通路５１は、コンプレッサ２２と酸化剤熱交換器２３との間の酸化剤供給通路２１から分岐して蒸発器３５に接続される。これにより、コンプレッサ２２から吐出される酸化剤ガスを蒸発器３５に供給することが可能になる。

【0034】

流量制御弁５２は、蒸発器３５に酸化剤ガスを供給するアクチュエータを構成する。本実施形態の流量制御弁５２は、コンプレッサ２２から蒸発器３５への酸化剤ガスの供給流量を制御する。流量制御弁５２は、コントローラ６０により制御される。

【0035】

本実施形態では、インジェクタ３４の噴射燃料が蒸発器３５で加熱されるため、インジェクタ３４よりも下流において原燃料を構成する炭素が析出する現象、いわゆるコーキングが発生しやすくなる。

【0036】

これに対して、コンプレッサ２２から蒸発器３５に酸化剤ガスを供給することにより、析出した炭素を酸化剤ガスで酸化するとともに、炭素が析出しやすいコーキング発生部位での炭素の析出を抑制することができる。すなわち、炭素の析出によるインジェクタ３４の噴霧性能の低下や原燃料の配管抵抗の増加などを抑制することができる。

【0037】

特に、インジェクタ３４の噴射先及び噴霧点に酸化剤ガスを供給することにより、インジェクタ３４の噴射燃料の微粒化を向上させるとともに、酸化剤ガスと噴霧燃料との混合度合いが向上するので炭素の析出をさらに低減することができる。さらにインジェクタ３４の噴射方向に対して垂直又はほぼ垂直となるように酸化剤ガスを供給することにより、噴射燃料の微粒化及び混合度合いをより一層向上させることができる。

【0038】

コントローラ６０は、燃料電池システム１００の動作を制御する制御装置である。コントローラ６０は、あらかじめ定められた処理がプログラムされた中央演算処理装置（ＣＰＵ；Central Processing Unit）及び記憶装置を備える１つ又は複数のマイクロコンピュータによって構成される。

【0039】

コントローラ６０には、温度センサ６１乃至６３などの種々のセンサの検出値が入力される。例えば、温度センサ６１は、改質器３７と燃料電池１０との間の燃料供給通路３１の間に配置されて燃料電池１０のアノード極の温度を検出する。温度センサ６２は蒸発器３５の温度を検出し、温度センサ６３は改質器３７の温度を検出する。

【0040】

コントローラ６０は、例えばドライバの起動操作又は負荷からの電力要求などにより、燃料電池システム１００が起動されると、コンプレッサ２２及びインジェクタ４２を作動させる。これにより、コンプレッサ２２から燃料電池１０を介して酸化剤ガスが燃焼器４５に供給されるとともに、インジェクタ４２から原燃料が燃焼器４５に供給されるので、燃焼器４５において原燃料が燃焼する。

【0041】

燃焼器４５での原燃料の燃焼に伴う燃焼器４５自体の熱によって加熱器３６及び改質器３７が加熱されるとともに、燃焼器４５での燃焼後の排ガスが酸化剤熱交換器２３、蒸発器３５、加熱器３６及び改質器３７の各々を通過する。これにより、燃料電池１０に供給される酸化剤ガス、及び、改質器３７に供給される混合ガスの各々に熱が加えられるので、燃料電池１０の自己の温度が徐々に上昇するとともに、改質器３７で混合ガスが改質されて燃料ガスが燃料電池１０に供給される。

【0042】

そしてコントローラ６０は、燃料電池１０への燃料ガス及び酸化剤ガスの各々の供給流量が所定の目標値となるように、コンプレッサ２２及びインジェクタ３４の動作を制御する。所定の目標値は、例えば、燃料電池１０の負荷の大きさに応じて設定される。

【0043】

さらに蒸発器３５において炭素が析出しやすい状況、すなわちコーキングが発生しやすい状況では、コントローラ６０は、蒸発器３５に酸化剤ガスを供給するように流量制御弁５２を開く。例えば、燃料電池１０の起動開始から起動完了までの期間は、原燃料の昇温中に炭素が析出しやすくなる。

【0044】

このため、コントローラ６０は、燃料電池１０を起動する場合には、流量制御弁５２から蒸発器３５に酸化剤ガスを供給するようにしてもよい。これにより、インジェクタ３４よりも下流において原燃料の加熱により炭素が析出するのを抑制することができ、効率よく燃料ガスを生成することができる。

【0045】

また、コントローラ６０は、燃焼器４５での空燃比λが１以上となるようにインジェクタ４２及びコンプレッサ２２のうち少なくとも一方の動作を制御する。例えば、コントローラ６０は、燃焼器４５での空燃比λが１以上となるようにインジェクタ４２の噴射量を減少させたり、コンプレッサ２２の吐出量を増加させたりする。これにより、燃焼器４５よりも下流で発生するコーキングを抑制することができる。

【0046】

なお、本実施形態では、燃料電池システム１００に蒸発器３５が備えられているが、蒸発器３５を省略して加熱器３６で代用してもよい。また、インジェクタ３４を用いて原燃料を供給したが、インジェクタ３４を省略して燃料ポンプ３３で代用してもよい。これにより、燃料電池システム１００のコスト及びサイズを削減することができる。

【0047】

さらに、酸化剤分岐通路５１に流量制御弁５２が設けられているが、流量制御弁５２を省略してもよい。この場合であっても、酸化剤ガスを含有する空気が蒸発器３５に供給されるので、炭素の析出を抑制することができる。

【0048】

図２は、蒸発器３５に酸化剤ガスを供給する過剰供給期間の一例を説明する図である。

【0049】

図２には、コーキング発生部位を有する蒸発器３５の温度が実線により示され、燃料電池１０のアノード極の温度が破線により示されている。横軸は時間を示し、縦軸は蒸発器３５の温度と燃料電池１０のアノード極の温度とを示す。

【0050】

時刻ｔ１よりも以前において、燃料電池システム１００が起動され、燃料電池１０、蒸発器３５、加熱器３６及び改質器３７の各温度が徐々に上昇する。蒸発器３５及び加熱器３６での原燃料の温度上昇に伴い、インジェクタ３４の先端、蒸発器３５及び加熱器３６の各部位において原燃料の炭素が析出するコーキングが発生しやすくなる。

【0051】

時刻ｔ１では、蒸発器３５の温度が第１の閾値Ｔ１まで上昇する。閾値Ｔ１は、炭素が析出した析出部位を酸化剤ガスに晒すことで炭素を除去可能な温度、すなわちコーキングを解消可能な温度に設定される。本実施形態の閾値Ｔ１は、析出部位の炭素を除去可能な温度の下限値に設定され、例えば３００℃程度に設定される。蒸発器３５の温度は、例えば温度センサ６２により検出される。

【0052】

蒸発器３５の温度が閾値Ｔ１に達すると、コンプレッサ２２から蒸発器３５の析出部位に対して酸化剤である空気が供給されるようにコントローラ６０は、流量制御弁５２を開く。このとき、インジェクタ３４から蒸発器３５への原燃料の噴射量に対する空気の供給量の比率を示す空燃比λが１以上となるようにコントローラ６０は、流量制御弁５２の開度を所定の値に設定する。

【0053】

すなわち、コントローラ６０は、蒸発器３５に供給される原燃料及び酸化剤ガスが過不足なく反応する酸化剤ガスの供給量の理論値に対して実際値が大きくなるように流量制御弁５２の開度を制御する。

【0054】

時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間である過剰供給期間Ｐ１では、空燃比λが１以上となるようにコンプレッサ２２から蒸発器３５に空気が供給され続ける。なお、コントローラ６０は、コンプレッサ２２から蒸発器３５に供給される空気の供給流量をあらかじめ定められた値に固定するようにしてもよい。

【0055】

時刻ｔ２では、蒸発器３５の温度が第２の閾値Ｔ２まで上昇する。閾値Ｔ２は、改質器３７で原燃料が改質可能となるように定められた蒸発器３５の温度、すなわち改質可能温度に設定される。改質器３７で原燃料が改質可能となる改質器３７の下限温度は、例えば４００℃程度であり、本実施形態の閾値Ｔ２は、その改質器３７の下限温度よりも低い温度に設定される。

【0056】

蒸発器３５の温度が閾値Ｔ２に達すると、コントローラ６０は、流量制御弁５２の開度を減少させる。例えば、改質器３７で空気を消費させるためにコントローラ６０は、空燃比λが１未満となるように流量制御弁５２の開度を小さくする。これにより、燃料電池１０のアノード極まで空気が到達しにくくなるので、空気によってアノード極が酸化して燃料電池１０の発電性能が低下するのを抑制することができる。

【0057】

あるいは、蒸発器３５及び改質器３７の各々の温度が最適な温度まで早期に上昇するようにコントローラ６０は、流量制御弁５２の開度を小さくしたり、流量制御弁５２を閉じたりしてもよい。これにより、蒸発器３５への空気の供給量が減少するので、空気によって蒸発器３５及び改質器３７の冷却を抑制することができ、早期に燃料電池１０の起動を完了させることができる。

【0058】

なお、時刻ｔ２で流量制御弁５２の開度を小さくする例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、コントローラ６０は、時刻ｔ２を経過しても空燃比λが１以上となるように流量制御弁５２の開度を維持してもよい。この例について以下に説明する。

【0059】

時刻ｔ３において、燃料電池１０のアノード極の温度が第３の閾値Ｔ３まで上昇する。閾値Ｔ３は、酸化剤ガスによる燃料電池１０のアノード極が酸化するのを許容できる温度、すなわち酸化許容温度に設定される。本実施形態の閾値Ｔ３は、閾値Ｔ２よりも大きな値であり、例えば４５０℃程度に設定される。

【0060】

アノード極の温度が閾値Ｔ３に達すると、コントローラ６０は、燃料電池１０のアノード極に空気が流入しないように流量制御弁５２の開度を小さくする。または、コントローラ６０は、流量制御弁５２を閉じる。

【0061】

このように、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間である過剰供給期間Ｐ２において空燃比λが１以上となるようにコントローラ６０が蒸発器３５に空気を過剰供給する。これにより、過剰供給期間Ｐ１だけ空気の過剰供給を行う場合に比べて、コーキングを減少させることができる。

【0062】

なお、本実施形態では、蒸発器３５、加熱器３６及び改質器３７を効果的に加熱するために蒸発器３５への酸化剤ガスの供給を時刻ｔ１から開始する例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池システム１００の起動直後に、蒸発器３５に酸化剤ガスを供給するように流量制御弁５２を閉状態から開状態に切り替えてもよい。

【0063】

また、本実施形態では過剰供給期間Ｐ１にインジェクタ３４から蒸発器３５に原燃料を供給する例について説明したが、燃料電池システム１００の設計によっては、原燃料の供給を停止して酸化剤ガスのみ供給するようにしてもよい。

【0064】

図３は、本実施形態における燃料電池システム１００の制御方法の一例を示すフローチャートである。

【0065】

ステップＳ１においてコントローラ６０は、システム起動指令を受ける。例えば、車両の始動キーをＯＦＦからＯＮに切り替えるＯＮ操作が行われた場合、又は、燃料電池システム１００に対して燃料電池１０の発電が要求された場合に、システム起動指令がコントローラ６０に対して発行される。

【0066】

ステップＳ２においてコントローラ６０は、システム起動指令を受けると、燃焼器４５を作動させて燃料電池システム１００を加熱する。本実施形態ではコントローラ６０は、燃焼器４５に原燃料を噴射するようインジェクタ４２を駆動するとともに、燃料電池１０を介して燃焼器４５に空気を供給するようコンプレッサ２２を駆動する。

【0067】

これにより、燃焼器４５で原燃料が燃焼するので、燃焼によって燃焼器４５から発生する熱で加熱器３６及び改質器３７を加熱することができる。さらに燃焼器４５から排出される高熱の排ガスが改質器３７、加熱器３６及び蒸発器３５と酸化剤熱交換器２３とに供給されるので、燃料電池１０、蒸発器３５及び改質器３７の各々の温度は作動温度まで上昇する。

【0068】

ステップＳ３においてコントローラ６０は、蒸発器３５に原燃料を噴射するようにインジェクタ３４を駆動する。

【0069】

ステップＳ４においてコントローラ６０は、蒸発器３５に空気を供給するように流量制御弁５２を開く。

【0070】

ステップＳ５においてコントローラ６０は、蒸発器３５での空燃比λが１以上となるように流量制御弁５２の開度を所定の値に設定する。すなわち、コントローラ６０は、蒸発器３５に対して過剰に空気を供給させる。

【0071】

ステップＳ６においてコントローラ６０は、燃料電池１０のアノード極温度が上述の閾値Ｔ３以上であるか否かを判断する。例えば、コントローラ６０は、温度センサ６１の検出値に基づいて、アノード極の温度が閾値Ｔ３以上であるか判断する。

【0072】

または、燃料電池排気通路４４に温度センサを設け、その温度センサの検出値を用いてもよいし、同様に燃料電池１０のカソード極の温度を検出して代用してもよい。あるいは、コントローラ６０は、システム起動指令を受けた後、所定の時間が経過したときに、アノード極温度が閾値Ｔ３以上であると判断するようにしてもよい。このように、燃料電池１０のアノード極の温度を直接的又は間接的に検出してもよいし、アノード極の温度に相関のあるパラメータを用いてもよい。

【0073】

ステップＳ６でアノード極温度が閾値Ｔ３未満であると判断された場合には、ステップＳ５の処理に戻り、蒸発器３５に過剰な空気が継続して供給される。

【0074】

ステップＳ７においてコントローラ６０は、燃料電池１０のアノード極温度が閾値Ｔ３以上であると判断した場合には、流量制御弁５２の開度をアノード極への空気混入が無くなる所定の値まで小さくする。なお、コントローラ６０は、アノード酸化を防ぐために流量制御弁５２を閉じてもよい。

【0075】

ステップＳ８においてコントローラ６０は、システム停止指令を受けか否かを判断する。例えば、車両のＯＦＦ操作が行われた場合、又は、燃料電池１０の発電停止が要求された場合に、システム起動指令がコントローラ６０に対して発行される。

【0076】

そしてコントローラ６０は、システム停止指令を受けるまでステップＳ７の処理を継続して実行し、システム停止指令を受けると、本実施形態における燃料電池システム１００の制御方法についての一連の処理手順を終了する。

【0077】

なお、本実施形態では燃料電池システム１００の起動中にアノード極温度が閾値Ｔ３未満のときに蒸発器３５に空気を過剰に供給したが、改質器３７への混合ガスの温度が改質可能温度未満のときに蒸発器３５への空気の過剰供給を行うようにしてもよい。また、燃料電池システム１００の停止中にアノード極の温度が閾値Ｔ３まで低下したときに蒸発器３５へ空気を過剰に供給してもよい。

【0078】

また、本実施形態では空燃比λが１以上となるように流量制御弁５２の開度を制御する例について説明したが、コントローラ６０は、インジェクタ３４の噴射量及びコンプレッサ２２の吐出量のうち少なくとも一つを制御するようにしてもよい。

【0079】

本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池１０の発電に利用される原燃料を改質する改質器３７を備え、改質器３７で生成される燃料ガスを燃料電池１０に供給する。燃料電池システム１００は、改質器３７に原燃料を供給する燃料供給装置を構成する燃料ポンプ３３又はインジェクタ３４と、燃料供給装置と改質器３７との間の燃料供給通路３１に配置される加熱器３６とを含む。

【0080】

そして燃料電池システム１００は、加熱器３６よりも上流の燃料供給通路３１又はインジェクタ３４に酸化剤ガスを含有する空気を供給するアクチュエータとしてコンプレッサ２２及び流量制御弁５２をさらに含む。これにより、インジェクタ３４の先端などの原燃料が通過する燃料供給通路３１に生じる炭素析出を抑制することができる。

【0081】

また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料供給装置と加熱器３６との間の燃料供給通路３１に配置される蒸発器３５をさらに含み、アクチュエータを構成するコンプレッサ２２は、図１に示したように、蒸発器３５に酸化剤ガスを供給する。これにより、コーキングが発生しやすい部位のうち上流から下流に酸化剤ガスが流れるので、燃料供給装置３０で発生するコーキングを全体的に抑制することができる。

【0082】

また、燃料供給装置として原燃料を噴射する噴射装置であるインジェクタ３４が用いられ、コンプレッサ２２は、特に、インジェクタ３４の噴射先に酸化剤ガスを供給することが好ましい。このようにインジェクタ３４を用いることにより、原燃料が微細化されるので、改質器３７において効率よく原燃料を改質することができる。さらに、インジェクタ３４の噴射先にインジェクタ３４の噴射先に酸化剤ガスを供給することにより、原燃料の微粒化を向上させるとともに炭素の析出をさらに低減することができる。

【0083】

また、本実施形態によれば、コンプレッサ２２は、燃料電池１０に酸化剤ガスを供給するとともに、加熱器３６よりも上流の燃料供給通路３１又はインジェクタ３４に酸化剤ガスを供給する。このようにコンプレッサ２２を兼用することにより、燃料電池システム１００のコスト及びサイズを抑制しつつ、コーキングを抑制することができる。

【0084】

なお、燃料電池１０から排出される酸化剤ガスを、加熱器３６よりも上流の燃料供給通路３１又はインジェクタ３４に供給するように燃料電池システム１００を構成してもよい。この場合には、コンプレッサ２２から酸化剤ガスを直接供給する場合に比べて、原燃料の温度が低下するのを抑制することができる。すなわち、燃料電池１０で生じる熱エネルギーを有効に利用することができる。

【0085】

また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、原燃料に対する酸化剤ガスの比率を示す空燃比λが１以上となるようにインジェクタ３４及び流量制御弁５２のうち少なくも一方の動作を制御するコントローラ６０をさらに含む。これにより、加熱器３６よりも上流の燃料供給通路３１又はインジェクタ３４に空気が多量に供給されるので、通常の運転状態に比べてコーキングを解消することができる。

【0086】

本実施形態のコントローラ６０は、燃料電池１０の温度を推定又は検出する電池検出部を構成する。例えば、コントローラ６０は、図１に示した温度センサ６１の検出値を用いて燃料電池１０の温度を推定する。そしてコントローラ６０は、図３に示したように、燃料電池１０の温度が所定の閾値Ｔ２又はＴ３よりも低い場合に、空燃比λが１以上となるように流量制御弁５２の動作を制御する。これにより、コーキングをより確実に除去することができるとともに、燃料電池１０の発電効率が低下するのを抑制することが可能になる。

【0087】

本実施形態では、上述の閾値Ｔ３は、図３で述べたとおり、酸化剤ガスに起因する燃料電池１０のアノード極の酸化を許容できる温度に設定される。これにより、アノード極の酸化による劣化を抑制することが可能になる。

【0088】

あるいは、コントローラ６０は、改質器３７の温度が特定の閾値Ｔ２よりも低い場合に、空燃比λが１以上となるように流量制御弁５２の動作を制御するようにしてもよい。
コントローラ６０は、例えば、図１に示した温度センサ６２又は６３の検出値を用いて改質器３７の温度を推定する。このように、改質器３７の温度に基づいて空燃比λを変更することにより、コーキングを効果的に除去することができるとともに、燃料電池１０に燃料ガスを適切に供給することが可能になる。

【0089】

例えば、特定の閾値Ｔ２は、改質器３７が原燃料を改質できる温度に設定される。これにより、改質器３７の温度が閾値Ｔ２に達した場合には原燃料の温度低下が抑制されるので、早期に改質器３７の温度を最適値に到達させることができる。したがって、改質性能を早期に回復させることができる。

【0090】

また、本実施形態によれば、図１に示したように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０から排出される燃料ガスを燃焼させる燃焼器４５と、燃焼器４５に原燃料を供給する他の燃料供給装置を構成するインジェクタ４２とを備える。

【0091】

そしてコンプレッサ２２は、燃料電池１０を介して燃焼器４５に酸化剤ガスを供給し、コントローラ６０は、燃焼器４５での空燃比λが１以上となるようにインジェクタ４２及びコンプレッサ２２のうち少なくとも一方の動作を制御する。これにより、燃焼器４５の下流で発生するコーキングを抑制することができる。

【0092】

また、本実施形態によれば、コントローラ６０は、燃料電池１０の温度が上述の閾値Ｔ３を上回った場合、又は、改質器３７の温度が上述の閾値Ｔ２を上回った場合には、蒸発器３５での空燃比λを１よりも小さくする。これにより、燃料電池１０の発電性能を確保しつつ、コーキングの発生を抑制することができる。

【0093】

また、本実施形態によれば、コントローラ６０は、図２に示したように、燃料電池１０を起動する場合に、蒸発器３５での空燃比λが１以上となるように流量制御弁５２の開度を制御する。これにより、燃料供給装置３０の温度が適切な温度に到達するまでの間に発生しやすいコーキングを解消することができる。すなわち、的確にコーキングを除去することができる。

【0094】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上述の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述の実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【0095】

なお、上述の実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

【符号の説明】

【0096】

１００ 燃料電池システム
２２ コンプレッサ（アクチュエータ、酸化剤供給装置）
３１ 燃料供給通路（供給通路）
３４ インジェクタ（燃料供給装置）
３５ 蒸発器
３６ 加熱器
３７ 改質器
４２ インジェクタ（他の噴射装置）
４５ 燃焼器
５２ 流量制御弁（アクチュエータ）

【図1】

【図2】

【図3】