(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】
(24)【登録日】2022-11-08
(45)【発行日】2022-11-16
(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 8/04 20160101AFI20221109BHJP
H01M 8/249 20160101ALI20221109BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20221109BHJP
H01M 8/04225 20160101ALI20221109BHJP
H01M 8/04302 20160101ALI20221109BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20221109BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20221109BHJP
H01M 8/04313 20160101ALI20221109BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20221109BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 J
H01M8/249
H01M8/04014
H01M8/04225
H01M8/04302
H01M8/04746
H01M8/0432
H01M8/04313
H01M8/12 101
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2021548020
(86)(22)【出願日】2019-09-24
(86)【国際出願番号】 JP2019037379
(87)【国際公開番号】W WO2021059351
(87)【国際公開日】2021-04-01
【審査請求日】2022-03-16
(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】池口 健ブライアン
(72)【発明者】
【氏名】筑後 隼人
【審査官】笹岡 友陽
(56)【参考文献】
【文献】特開２００４－７１４８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－７９７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１２８０３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－７０７８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－６３３４１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／０４
Ｈ０１Ｍ ８／２４９
Ｈ０１Ｍ ８／０４０１４
Ｈ０１Ｍ ８／０４２２５
Ｈ０１Ｍ ８／０４３０２
Ｈ０１Ｍ ８／０４７４６
Ｈ０１Ｍ ８／０４３２
Ｈ０１Ｍ ８／０４３１３
Ｈ０１Ｍ ８／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
起動時に、加熱された空気を供給することで燃料電池を昇温する燃料電池システムであって、複数の前記燃料電池と、
複数の前記燃料電池に並列に接続し、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給路と、
複数の前記燃料電池に直列に接続し、前記燃料電池に空気を供給する空気供給路と、
前記燃料供給路に設けられ、燃料または空気を加熱する熱交換器と、
前記空気供給路に設けられ、空気を加熱する空気熱交換器と、
前記空気供給路における前記空気熱交換器の上流側と、前記燃料供給路における前記熱交換器の上流側とを連結する連結路と、
を備え、
前記空気供給路には、前記空気熱交換器に流入する空気の量を調整する第１制御弁が設けられ、
前記連結路には、前記熱交換器に流入する空気の量を調整する第２制御弁が設けられ、
前記燃料電池システムの起動時に前記第１制御弁および前記第２制御弁の開度を調整することで、前記空気供給路および前記燃料供給路の双方から複数の前記燃料電池に加熱された空気を供給する、
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、前記燃料電池システムの起動時に、各前記燃料電池の温度に基づき前記第１制御弁および前記第２制御弁の開度を調整することで、前記空気供給路および前記燃料供給路から複数の前記燃料電池に供給される加熱された空気の量を調整する、
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、前記連結路または前記空気供給路における前記空気熱交換器の上流側の位置から分岐し、前記空気熱交換器をバイパスして前記空気供給路における前記燃料電池の上流側に接続するバイパス通路をさらに備え、
前記バイパス通路には、前記燃料電池システムの起動時に前記空気熱交換器を介さずに前記空気供給路から前記燃料電池に供給される空気の量を調整する第３制御弁が設けられる、
燃料電池システム。
【請求項4】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの起動時に、複数の前記燃料電池のうち、前記空気熱交換器に最も近い第１の燃料電池が所定の温度に到達するまでは、前記第１の燃料電池の昇温速度が最も早くなるように前記第１制御弁および前記第２制御弁の開度を制御し、
前記第１の燃料電池が所定の温度に到達した後は、前記空気供給路から供給される空気に対して前記第１の燃料電池から放熱される熱量が、前記燃料供給路から前記第１の燃料電池に供給される空気による加熱量以上になるように前記第３制御弁の開度を制御する、
燃料電池システム。
【請求項5】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの起動時に、複数の前記燃料電池のうち、前記空気熱交換器に最も近い第１の燃料電池が所定の温度に到達するまでは、
前記熱交換器への入熱量が前記空気熱交換器への入熱量よりも大きい場合、前記熱交換器および前記空気熱交換器への空気供給量の総量に対する前記空気熱交換器への空気供給比率が、複数の前記燃料電池の個数を前記熱交換器および前記空気熱交換器への入熱量の総量に対する前記熱交換器への入熱量比率で除した値以上になるように前記第１制御弁および前記第２制御弁の開度を制御し、
前記熱交換器への入熱量が前記空気熱交換器への入熱量よりも小さい場合、前記熱交換器および前記空気熱交換器への空気供給量の総量に対する前記空気熱交換器への空気供給比率が、前記熱交換器および前記空気熱交換器への入熱量の総量に対する前記熱交換器への入熱量比率以上になるように前記第１制御弁および前記第２制御弁の開度を制御し、
前記第１の燃料電池が所定の温度に到達した後は、前記空気供給路から供給される空気に対して前記第１の燃料電池から放熱される熱量が、前記燃料供給路から前記第１の燃料電池に供給される空気による加熱量以上になるように前記第３制御弁の開度を制御する、
燃料電池システム。
【請求項6】
請求項４または５に記載の燃料電池システムであって、前記第３制御弁を閉じた状態において前記熱交換器および前記空気熱交換器への空気供給量の総量に対する前記熱交換器への空気供給比率と、前記第３制御弁を開いた状態において前記熱交換器、前記空気熱交換器および前記バイパス通路への空気供給量の総量に対する前記熱交換器への空気供給比率とが等しくなるように、前記第１制御弁、前記第２制御弁および前記第３制御弁の開度を調整する、
燃料電池システム。
【請求項7】
請求項４から６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの起動時に、前記第１の燃料電池が前記所定の温度に到達するまでの間は、前記燃料供給路による空気の圧力損失と前記空気供給路による空気の圧力損失との合計である総圧力損失が最小の値になるように前記第１制御弁および前記第２制御弁の開度を調整する、
燃料電池システム。
【請求項8】
複数の燃料電池と、複数の前記燃料電池に並列に接続し、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給路と、
複数の前記燃料電池に直列に接続し、前記燃料電池に空気を供給する空気供給路と、
前記燃料供給路に設けられ、燃料または空気を加熱する熱交換器と、
前記空気供給路に設けられ、空気を加熱する空気熱交換器と、
前記空気供給路における前記空気熱交換器の上流側と、前記燃料供給路における前記熱交換器の上流側とを連結する連結路と、
を備え、
前記空気供給路には、前記空気熱交換器に流入する空気の量を調整する第１制御弁が設けられ、
前記連結路には、前記熱交換器に流入する空気の量を調整する第２制御弁が設けられる、
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前記第１制御弁および前記第２制御弁を開弁し、前記空気供給路および前記燃料供給路の双方から複数の前記燃料電池に加熱された空気を供給して複数の前記燃料電池を昇温する、
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】
複数のスタックで構成された燃料電池システムにおいて、アノードガスを供給する燃料供給路は、複数の燃料電池スタックに直列に接続すると、上流側の燃料電池スタックのアノードオフガスが下流側の燃料電池スタックに供給されてしまう。燃料電池スタックのアノードオフガスにはＨ2Ｏなどが含まれているため、上流側の燃料電池スタックのアノードオフガスが下流側の燃料電池スタックに供給されると、発電に影響を及ぼす恐れがある。そのため、上流側燃料電池スタックのアノードオフガスの影響を受けないように、燃料供給路は複数の燃料電池スタックに並列に接続することが好ましい。一方、カソードガスを供給する空気供給路は、複数の燃料電池スタックに並列に接続すると、直列に接続した場合に比べて圧力損失が大きくなる。そのため、空気を取り込む空気ブロアの省容量化の観点から、空気供給路は複数の燃料電池スタックに直列に接続することが好ましい。
【0003】
ＪＰ２００４－７１４８８Ａには、複数段の燃料電池部を配列し、空気系を直列に、燃料供給系を並列に接続した燃料電池発電設備が開示されている。この燃料電池発電設備では、加熱手段により所定温度に加熱された空気を空気供給路から最上流側の燃料電池部に供給している。
【発明の概要】
【0004】
ところで、固体酸化物型燃料電池システムでは、システムを停止状態から起動する際、部分酸化改質反応（ＰＯｘ）を開始するまでの間、燃料電池スタックを加熱された空気で暖機する必要がある。燃料電池システム起動時に暖機する際、ＪＰ２００４－７１４８８Ａに記載の複数の燃料電池部（燃料電池スタック）に直列に接続された空気供給路から加熱された空気を供給すると、上流側の燃料電池スタックほど温度が高くなる。従って、各スタック間の温度のバラツキが大きくなる。この状態で発電を行うと、発電にもバラツキが生じ、発電効率が悪化する恐れがある。
【0005】
上記課題に鑑み、本発明は、起動時における各燃料電池温度のバラツキを抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0006】
本発明の一態様によれば、起動時に、加熱された空気を供給することで燃料電池を昇温する燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、複数の燃料電池と、複数の燃料電池に並列に接続し、燃料電池に燃料を供給する燃料供給路と、複数の燃料電池に直列に接続し、燃料電池に空気を供給する空気供給路と、燃料供給路に設けられ、燃料または空気を加熱する熱交換器と、空気供給路に設けられ、空気を加熱する空気熱交換器と、空気供給路における空気熱交換器の上流側と、燃料供給路における熱交換器の上流側とを連結する連結路と、を備える。空気供給路には、空気熱交換器に流入する空気の量を調整する第１制御弁が設けられ、連結路には、熱交換器に流入する空気の量を調整する第２制御弁が設けられ、燃料電池システムの起動時に第１制御弁及び第２制御弁の開度を調整することで、空気供給路及び燃料供給路の双方から複数の燃料電池に加熱された空気を供給する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図面等を参照しながら、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実施形態による燃料電池システム１００の主要構成を示す概略構成図である。
図１は、第１実施形態による燃料電池システム１００の主要構成を示す概略構成図である。
【0010】
燃料電池システム１００は、複数の燃料電池スタック１１，１２，１３に対して発電に必要となる燃料ガス（アノードガス）及び酸化剤ガス（カソードガス）を供給し、燃料電池スタック１１，１２，１３を車両走行用の電動モータ等の電気負荷に応じて発電させるシステムである。
【0011】
燃料電池システム１００は、複数の燃料電池スタック１１，１２，１３と、燃料供給路２と、空気供給路３と、排気通路４と、連結路５、分岐路６と、を備える。燃料供給路２は燃料電池スタック１１，１２，１３にアノードガスを供給し、空気供給路３は燃料電池スタック１１，１２，１３にカソードガスを供給する。排気通路４は燃料電池スタック１１，１２，１３から排出されたアノード排ガス及びカソード排ガスを排気する。連結路５は、空気供給路３と燃料供給路２とを連結する。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（制御部）を備えている。
【0012】
燃料電池スタック１１，１２，１３は、アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック１１，１２，１３は、それぞれ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。
【0013】
燃料電池スタック１１，１２，１３は、燃料供給路２に並列に接続し、空気供給路３に直列に接続するように配置される。燃料電池スタック１１，１２，１３の各アノード極には、それぞれ燃料供給路２からアノードガスが供給されるとともに、燃料電池スタック１１，１２，１３の各カソード極には、空気供給路３からカソードガスが供給される。燃料電池スタック１１，１２，１３から排出されるアノード排ガスとカソード排ガスは、後述する触媒燃焼器４１によって燃焼されて燃焼ガスとなり、排気通路４を介して外部へ排出される。
【0014】
各燃料電池スタック１１，１２，１３のカソード極側出口付近には、温度センサ（図示しない）が設けられており、温度センサは各燃料電池スタック１１，１２，１３から排出されるカソード排ガスの温度を検出する。検出値は信号としてコントローラ７に送られる。
【0015】
なお、本実施形態においては、燃料電池スタックを３個配置しているが、燃料電池スタックの個数はこれに限られず、複数であればいくつ配置してもよい。
【0016】
また、後述するように、燃料電池システム１００起動時には、燃料供給路２からアノードガスではなく、加熱された空気が供給される。即ち、燃料電池システム１００起動時には、燃料供給路２及び空気供給路３の双方から燃料電池スタック１１，１２，１３に加熱された空気が供給され、燃料電池スタック１１，１２，１３が暖機（昇温）される。
【0017】
燃料供給路２には、上流から順に、燃料タンク２１と、インジェクタ２２１と、蒸発器２２と、過熱器２３と、熱交換改質器２４とが配置され、燃料供給路２は、インジェクタ２２１の上流において、触媒燃焼器４１に接続する分岐路６が分岐している。また、燃料供給路２は、熱交換改質器２４の下流において複数の燃料電池スタック１１，１２，１３に並列に接続し、燃料電池スタック１１，１２，１３の下流において触媒燃焼器４１に接続している。燃料供給路２は、燃料電池スタック１１，１２，１３のアノード極にアノードガスを供給する通路であるとともに、燃料電池スタック１１，１２，１３から排出される発電反応後のアノード排ガスを触媒燃焼器４１に送り出す通路である。
【0018】
燃料タンク２１は、改質前の原燃料として、例えば、エタノールと水を主成分とする燃料を貯蔵する。原燃料は、燃料タンク２１からポンプ（図示しない）によりインジェクタ２２１に供給され、インジェクタ２２１により所定噴射量に調節されて、蒸発器２２に噴射供給される。なお、ポンプによる燃料供給量及びインジェクタ２２１の噴射量はコントローラ７により制御することができる。
【0019】
蒸発器２２は、インジェクタ２２１から微粒化して噴射供給される液体燃料を加熱して、エタノールガス及び水蒸気からなる改質前燃料ガスを生成する。蒸発器２２は、後述する触媒燃焼器４１から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃料を気化させる。
【0020】
過熱器２３は、触媒燃焼器４１からの燃焼ガスと改質前燃料ガスを熱交換することで、改質前燃料ガスを過熱する。
【0021】
熱交換改質器２４は、触媒燃焼器４１からの燃焼ガスと改質前燃料ガスを熱交換することで、蒸発器２２で気化された改質前燃料ガスをさらに加熱するとともに、改質前燃料ガスを燃料電池スタック１に供給するために適切な状態とすべく改質する。例えば、熱交換改質器２４は、図示しない改質用触媒によって改質前燃料ガスを水蒸気改質し、水素を主成分とするアノードガスを生成する。このように改質されたアノードガスは、高温状態のまま燃料供給路２から燃料電池スタック１のアノード極に供給される。
【0022】
なお、本実施形態では熱交換器と改質器が一体となった熱交換改質器２４を用いているが、熱交換器と改質器は別個の構成にしてもよい。
【0023】
また、後述するように、燃料電池システム１００の起動時には、熱交換改質器２４は、触媒燃焼器４１からの燃焼ガスと熱交換することで空気供給路３から連結路５を介して供給される空気を加熱する。即ち、熱交換改質器２４は、システム起動時には空気を加熱する熱交換器として機能する。この加熱された空気が燃料供給路２を介して燃料電池スタック１１，１２，１３に送られ、燃料電池スタック１１，１２，１３が暖機される。
【0024】
分岐路６は、燃料電池システム１００の暖機時等に、後述する触媒燃焼器４１に燃焼用燃料を供給する通路であり、燃料タンク２１の下流側且つインジェクタ２２１の上流側において燃料供給路２から分岐し、触媒燃焼器４１に接続している。分岐路６にはインジェクタ６１１が設けられ、例えば燃料電池システム１００の暖機時には、燃料タンク２１からインジェクタ６１１に液体燃料が供給される。インジェクタ６１１に供給された液体燃料は、燃焼用燃料としてインジェクタ６１１により触媒燃焼器４１に噴射供給される。インジェクタ６１１の噴射量は、コントローラ７により制御することができる。
【0025】
空気供給路３には、上流から順に、空気ブロア３１と、制御弁（第１制御弁）３０と、空気熱交換器３２とが配置され、制御弁３０の上流側で連結路５に分岐している。また、空気供給路３は、空気熱交換器３２の下流において、燃料電池スタック１１，１２，１３の順に複数の燃料電池スタックに直列に接続し、最下流に配置された燃料電池スタック１３の下流において触媒燃焼器４１に接続している。空気供給路３は、燃料電池スタック１１，１２，１３のカソード極にカソードガスを供給する通路であるとともに、燃料電池スタック１１，１２，１３から排出される発電反応後のカソード排ガスを触媒燃焼器４１に送り出す通路である。
【0026】
空気ブロア３１は、空気供給路３の入口に設けられ、フィルタ（図示しない）を通じて外気（空気）を取り入れ、取り入れた空気を空気供給路３内に圧送する。
【0027】
空気熱交換器３２は、空気ブロア３１により供給される空気を、後述する触媒燃焼器４１で生成される燃焼ガスと熱交換させて加熱する装置である。空気熱交換器３２により加熱された空気は燃料電池スタック１１，１２，１３のカソード極に供給される。
【0028】
空気ブロア３１から空気熱交換器３２に流入する空気の量は、空気熱交換器３２の上流に設置された制御弁（第１制御弁）３０の開度により調整される。制御弁３０の開度はコントローラ７により制御することができる。
【0029】
連結路５は、燃料供給路２の改質前燃料に空気（酸素）を供給する通路であり、空気供給路３における空気熱交換器３２の上流側と、燃料供給路２における熱交換改質器２４の上流側とを連結する。連結路５は、空気供給路３における空気ブロア３１の下流側且つ制御弁３０の上流側の位置において空気供給路３から分岐し、燃料供給路２の熱交換改質器２４の上流位置に接続する。連結路５には、制御弁（第２制御弁）５０が設けられており、空気供給路３から熱交換改質器２４に流入する空気の量は、制御弁５０の開度により調整される。制御弁５０の開度はコントローラ７により制御することができる。連結路５から改質前燃料に空気（酸素）が供給されると、熱交換改質器２４での部分酸化改質反応（ＰＯｘ）により、改質後のアノードガスの温度が上昇する。これにより、高温のアノードガスが燃料電池スタック１１，１２，１３に供給されるため、スタック温度を上昇させることができる。
【0030】
なお、燃料電池システム１００の起動時には、熱交換改質器２４が暖機されていないため、部分酸化改質反応（ＰＯｘ）を行うことができない。燃料電池システム１００の起動時には、空気供給路３から連結路５を介して燃料供給路２に空気が供給されると、熱交換改質器２４において触媒燃焼器４１からの燃焼ガスと熱交換されることで空気が加熱される。この加熱された空気が空気供給路３を介して燃料電池スタック１１，１２，１３に送られ、燃料電池スタック１１，１２，１３が暖機される。即ち、燃料電池システム１００の起動時には、空気供給路３から供給される加熱された空気と、前述の燃料供給路２から供給される加熱された空気とにより、燃料電池スタック１１，１２，１３が暖機される。
【0031】
排気通路４は、燃料電池スタック１１，１２，１３から排出されたアノード排ガス及びカソード排ガスを触媒燃焼器４１で燃やして出る燃焼ガスを外部に排気する通路である。排気通路４は、触媒燃焼器４１とシステム外部とを接続する第１排気通路４Ａと、触媒燃焼器４１の下流側で第１排気通路４Ａから分岐し、システム外部に接続する第２排気通路４Ｂとから構成される。
【0032】
触媒燃焼器４１は、燃料電池スタック１１，１２，１３から燃料供給路２及び空気供給路３を介して送られてきたアノード排ガス及びカソード排ガスを混合し、その混合ガスを触媒燃焼させ、二酸化炭素や水を主成分とする燃焼ガスを生成する。触媒燃焼器４１で生成された燃焼ガスは、第１排気通路４Ａ及び第２排気通路４Ｂから燃料電池システム１００の外部に排出される。
【0033】
第１排気通路４Ａは、触媒燃焼器４１で生成された燃焼ガスを外部に排出する通路であり、一端が触媒燃焼器４１に接続される。第１排気通路４Ａの他端側は熱交換改質器２４、過熱器２３、蒸発器２２を通って外気へ連通している。熱交換改質器２４、過熱器２３、蒸発器２２は、第１排気通路４Ａを通る燃焼ガスの熱との熱交換により加熱される。
【0034】
第２排気通路４Ｂは、第１排気通路４Ａと同様に、触媒燃焼器４１で生成された燃焼ガスを外部に排出する通路であり、触媒燃焼器４１の下流側で第１排気通路４Ａから分岐し、空気熱交換器３２を通って外気へ連通している。空気熱交換器３２は、第２排気通路４Ｂを通る燃焼ガスの熱との熱交換によって加熱される。
【0035】
第１排気通路４Ａ及び第２排気通路４Ｂのそれぞれに流れる燃焼ガスの流量は、例えば第１排気通路４Ａまたは第２排気通路４Ｂの一方にスロットル（図示しない）を設けるなどすることにより調整される。該スロットルの開度は、コントローラ７により制御することができる。
【0036】
なお、例えば燃料電池システム１００起動時のようにシステムを暖機する際には、インジェクタ６１１を介して触媒燃焼器４１に原燃料が噴射供給される。触媒燃焼器４１に噴射供給された原燃料を触媒燃焼させることで触媒燃焼器４１が暖機され、触媒燃焼器４１で生成された燃焼ガスにより、空気熱交換器３２、熱交換改質器２４、過熱器２３、蒸発器２２などが暖機される。また、燃料電池システム１００の暖機時には、空気熱交換器３２及び熱交換改質器（熱交換器）２４に空気が供給され、供給された空気が触媒燃焼器４１で生成された燃焼ガスにより加熱される。前述のとおり、この加熱された空気が燃料電池スタック１１，１２，１３に供給されることにより、燃料電池スタック１１，１２，１３が暖機（昇温）される。
【0037】
コントローラ７は、システム全体の動作を制御する。コントローラ７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１００の制御のための処理を実行する。例えばコントローラ７は、以下で説明する燃料電池システム１００の起動時における燃料電池スタック暖機制御を実行する。
【0038】
図２は本実施形態における燃料電池システム１００の起動時における燃料電池スタック暖機制御を説明するフローチャートである。なお、以下の制御はいずれもコントローラ７により実行される。
【0039】
コントローラ７はシステム起動指令を受け付けると、システム起動時における燃料電池スタック暖機制御を開始する。システム起動指令は、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に対して燃料電池の発電が要求された場合などに、コントローラ７に対して送信される。
【0040】
システム起動時における燃料電池スタック暖機制御を開始すると、ステップＳ１０１においてコントローラ７は、燃料電池スタック１１，１２，１３の温度を取得する。燃料電池スタック１１，１２，１３の温度については、各燃料電池スタック１１，１２，１３のカソード極側出口付近に設置した温度センサにより検出された温度を燃料電池スタック１１，１２，１３の温度とみなす。
【0041】
次にステップＳ１０２において、燃料タンク２１からインジェクタ６１１を介して触媒燃焼器４１に原燃料を噴射供給する。触媒燃焼器４１に供給された燃料は触媒燃焼され、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは触媒燃焼器４１から排気通路４に流入する。
【0042】
次にステップＳ１０３において、コントローラ７は、制御弁３０及び制御弁５０を開く。これにより、空気ブロア３１により取り込まれた空気が空気熱交換器３２及び熱交換改質器２４に供給される。空気熱交換器３２及び熱交換改質器２４に供給された空気は、触媒燃焼器４１で生成され排気通路４を通る燃焼ガスにより加熱される。空気熱交換器３２において加熱された空気は空気供給路３から、熱交換改質器２４において加熱された空気は燃料供給路２から、それぞれ燃料電池スタック１１，１２，１３に供給される。これにより、各燃料電池スタック１１，１２，１３が暖機される。
【0043】
複数の燃料電池スタック１１，１２，１３を暖機する際に、燃料電池スタック１１，１２，１３に直列に接続されたカソード側の空気供給路３のみから加熱された空気を供給すると、上流側の燃料電池スタックほど温度が高くなり、各燃料電池スタックの間での温度のバラツキが大きくなる。燃料電池スタックの温度のバラツキが大きい状態で発電を行うと、発電にもバラツキが起こり、発電効率の悪化を引き起こす恐れがある。一方、本実施形態では、上述のとおり、カソード側の空気供給路３だけでなく、燃料電池スタック１１，１２，１３に並列に接続されたアノード側の燃料供給路２からも加熱された空気が供給されるため、各燃料電池スタック１１，１２，１３の温度のバラツキが抑制される。
【0044】
なお、ステップＳ１０３において、制御弁３０及び制御弁５０の開度は、燃料電池スタック１１，１２，１３の温度に基づき調整される。例えば、燃料電池スタック１１，１２，１３の温度のバラツキが大きい場合は制御弁５０の開度を大きくし、燃料供給路２から燃料電池スタック１１，１２，１３に供給される空気の流量を大きくする。燃料供給路２は燃料電池スタック１１，１２，１３に並列に接続しているため、燃料供給路２からの空気供給量を増加させることで燃料電池スタック１１，１２，１３の温度のバラツキがより抑制される。一方、暖機後、燃料供給路２に残留した空気によりアノードガスや燃料電池スタック１１，１２，１３のアノード極が酸化してしまうことを防止するため、暖機時における燃料電池スタック１１，１２，１３への加熱空気の供給は、できるだけ空気供給路３側から行われることが好ましい。従って、燃料電池スタック１１，１２，１３の温度のバラツキが小さい場合は制御弁３０の開度を大きくし、空気供給路３からの空気供給量を増加させる。
【0045】
次にステップＳ１０４において、コントローラ７は、空気供給路３の最上流側に配置された燃料電池スタック１１の温度が所定の温度Ｔ1以上に達していないかを判定する。ここでの所定の温度Ｔ1は、燃料電池スタックのアノード極が酸化してしまう温度の最低値であるスタック酸化防止温度Ｔ0よりも少し低めの温度であって、且つ部分酸化改質反応（ＰＯｘ）を開始しても問題ない温度に設定される。ステップＳ１０４において、燃料電池スタック１１の温度が所定の温度Ｔ1以上に達している場合、コントローラ７は、ステップＳ１０５の処理を実行する。
【0046】
ステップＳ１０５において、コントローラ７は、熱交換改質器２４において部分酸化改質反応（ＰＯｘ）を開始する。即ち、コントローラ７は、燃料タンク２１からインジェクタ２２１を介して熱交換改質器２４に燃料を供給するとともに、制御弁５０の開度を調節して連結路５から熱交換改質器２４に、ＰＯｘに必要な適量の空気を供給する。ＰＯｘが開始されると、コントローラ７は、燃料電池システム１００の起動時における燃料電池スタック暖機制御を終了する。
【0047】
一方、ステップＳ１０４において、燃料電池スタック１１の温度が所定の温度Ｔ1より低い場合、コントローラ７は、ステップＳ１０３の処理に戻り、燃料電池スタック１１，１２，１３の温度に基づき制御弁３０及び制御弁５０の開度を調節する。
【0048】
上記した第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【0049】
燃料電池システム１００においては、空気供給路３における空気熱交換器３２の上流側と、燃料供給路２における熱交換改質器（熱交換器）２４の上流側とを連結する連結路５を備える。空気供給路３には、空気熱交換器３２に流入する空気の量を調整する制御弁（第１制御弁）３０が設けられ、連結路５には、熱交換改質器（熱交換器）２４に流入する空気の量を調整する制御弁（第２制御弁）５０が設けられる。そして燃料電池システム１００の起動時に制御弁（第１制御弁）３０及び制御弁（第２制御弁）５０の開度を調整することで、空気供給路３及び燃料供給路２の双方から複数の燃料電池スタック（燃料電池）１１，１２，１３に加熱された空気を供給する。このようにシステム起動時に、燃料電池スタック１１，１２，１３に直列に接続された空気供給路３だけでなく、燃料電池スタック１１，１２，１３に並列に接続された燃料供給路２からも加熱された空気が供給されるため、各燃料電池スタック１１，１２，１３の温度のバラツキが抑制される。各燃料電池スタック１１，１２，１３の温度のバラツキが抑制されるため、発電を行った際の発電のバラツキも抑制され、発電効率を向上させることができる。
【0050】
また、燃料電池システム１００においては、システムの起動時に、各燃料電池スタック（燃料電池）１１，１２，１３の温度に基づき制御弁（第１制御弁）３０及び制御弁（第２制御弁）５０の開度を調整することで、空気供給路３及び燃料供給路２から複数の燃料電池スタック（燃料電池）１１，１２，１３に供給される加熱された空気の量を調整する。このように、各燃料電池スタック１１，１２，１３の温度に基づき空気供給路３及び燃料供給路２から燃料電池スタック１１，１２，１３に供給される空気の量が調整されるため、各燃料電池スタック１１，１２，１３の温度のバラツキがより抑制される。従って、発電を行った際の発電のバラツキもより抑制され、発電効率をより向上させることができる。また、各燃料電池スタック１１，１２，１３の温度に基づき空気供給路３及び燃料供給路２から燃料電池スタック１１，１２，１３に供給される空気の量が調整されるため、温度のバラツキの抑制に必要な量だけ燃料供給路２から空気が供給される。即ち、必要以上に燃料供給路２から空気が供給されることを防止できる。従って、燃料供給路２に残留した空気によりアノードガスや燃料電池スタック１１，１２，１３のアノード極が酸化してしまうことを防止できる。
【0051】
なお、本実施形態においては、燃料電池スタックを複数配置する構成としたが、燃料電池は必ずしもスタックが複数である必要はなく、複数のセル群が隣接してなる燃料電池であってもよい。この場合、燃料供給路２は各セル群に並列に、空気供給路３は各セル群に直列に接続される。
【0052】
また、本実施形態では排気通路４を２つの排気通路、即ち第１及び第２排気通路４Ａ，４Ｂから構成しているが、これに限られず、例えば空気熱交換器３２、熱交換改質器２４、過熱器２３、蒸発器２２を通る１つの排気通路４から構成してもよい。
【0053】
また、本実施形態では、カソード極側出口付近に設置した温度センサによる検出値を燃料電池スタック１１，１２，１３の温度と見なしたが、燃料電池スタック１１，１２，１３の温度の取得方法はこれに限られない。例えばアノード極側出口付近に温度センサを設置して、該温度センサの検出値を燃料電池スタックの温度と見なしてもよい。また、カソード極側出口付近とアノード極側出口付近の両方に温度センサを設置し、２つの温度センサの検出値の平均値を燃料電池スタックの温度と見なしてもよい。
【0054】
また、制御弁３０及び制御弁５０の開度は、燃料電池スタック１１，１２，１３の温度に基づき調整することが好ましいが、必ずしもこれに限られない。燃料電池スタック１１，１２，１３に並列に接続する燃料供給路２から加熱された空気が供給される構成であれば、直列に接続された空気供給路３のみから空気が供給される場合に比べて各燃料電池スタック１１，１２，１３の温度のバラツキを抑制することができる。
【0055】
【0056】
本実施形態では、連結路５から分岐し、空気熱交換器３２をバイパスして空気供給路３における燃料電池スタック１１，１２，１３の上流側の位置に接続するバイパス通路８を備える点が第１実施形態と異なる。
【0057】
図３は、第２実施形態による燃料電池システム１００の主要構成を示す概略構成図である。
【0058】
図３に示すとおり、連結路５における制御弁５０よりも上流側の位置からは、バイパス通路８が分岐している。
【0059】
バイパス通路８は、連結路５における制御弁５０よりも上流側の位置から分岐し、空気供給路３における空気熱交換器３２と燃料電池スタック１１との間の位置に接続する。バイパス通路８は、空気ブロア３１により空気供給路３に取り込まれた外気（空気）を、空気熱交換器３２をバイパスして、燃料電池スタック１１に供給する通路である。即ち、バイパス通路８は、複数の燃料電池スタック１１，１２，１３のうち空気供給路３の最上流側に位置する燃料電池スタック１１に加熱していない外気（空気）を供給するための通路である。
【0060】
バイパス通路８には、制御弁（第３制御弁）８０が設けられており、バイパス通路８を通過する空気の量は、制御弁８０の開度により調整される。制御弁８０の開度はコントローラ７により制御することができる。制御弁８０が開かれると、空気供給路３における空気熱交換器３２と燃料電池スタック１１との間の位置において、バイパス通路８を通過する空気と、空気熱交換器３２で加熱された空気とが混合する。バイパス通路８を通過した空気は、空気熱交換器３２により加熱されていないため、空気熱交換器３２で加熱された空気はバイパス通路８を通過した空気と混合されると温度が低下する。このため、燃料電池システム１００の暖機時に制御弁８０が開かれ、空気供給路３から燃料電池スタック１１に混合空気が供給されると、燃料供給路２から燃料電池スタック１１に供給される加熱された空気との間で熱交換が起こる。これにより、燃料電池スタック１１の昇温が抑制される。また、制御弁８０の開度を大きくするほどバイパス通路８を通過する空気の流量が大きくなり、混合空気の温度がより低下する。従って、制御弁８０の開度を制御することで燃料電池スタック１１の温度を制御することができる。
【0061】
前述のとおり、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池システム起動時に暖機する際、複数の燃料電池スタックに直列に接続された空気供給路から加熱された空気を供給すると、上流側の燃料電池スタックほど温度が高くなる。ここで下流側の燃料電池スタックの暖機が完了するのを待っていると、上流側の燃料電池スタックはさらに昇温され、アノード極が酸化する温度の最低値であるスタック酸化防止温度Ｔ0を超えてしまい、燃料電池スタックのアノード極が酸化してしまう恐れがある。これに対し、本実施形態では、制御弁８０の開度を制御することで燃料電池スタック１１の昇温を抑制することができる。このため、下流側の燃料電池スタック１２，１３が暖機されるのを待っていても、上流側の燃料電池スタック１１の温度がスタック酸化防止温度Ｔ0を超えてしまうことを防止できる。
【0062】
また、制御弁８０の開度を制御することで燃料電池スタック１１の温度を制御することができるため、下流側の燃料電池スタック１２，１３の暖機が完了するまでの間、燃料電池スタック１１の温度を、ＰＯｘを開始するのに適切な温度に維持することができる。
【0063】
なお、本実施形態では、制御弁８０をバイパス通路８から分岐するように構成しているが、これに限られず、空気供給路３の制御弁３０よりも上流側の位置から分岐し、空気供給路３における空気熱交換器３２と燃料電池スタック１１との間の位置に接続するように構成してもよい。
【0064】
図４は、第２実施形態による燃料電池システム１００の起動時における燃料電池スタック暖機制御を説明するタイムチャートである。
【0065】
時刻ｔ0において、燃料電池システム１００が起動すると、燃料電池スタック１１，１２，１３の暖気が開始される。第１実施形態と同様に、燃料電池スタック１１，１２，１３の暖気は、空気供給路３及び燃料供給路２の双方から燃料電池スタック１１，１２，１３に加熱された空気を供給することで行われる。
【0066】
時刻ｔ1において、燃料電池スタック１１が所定の温度Ｔ1に達すると、バイパス通路８の制御弁８０が開かれ、燃料電池スタック１１の昇温が抑制される。第１実施形態と同様に、所定の温度Ｔ1は、スタック酸化防止温度Ｔ0よりも少し低めの温度であって、且つＰＯｘを開始しても問題ない温度に設定される。
【0067】
なお、第１実施形態では、燃料電池スタック１１，１２，１３の温度のバラツキが抑制されるように制御弁３０，５０の開度を制御したが、本実施形態では、時刻ｔ1までは燃料電池スタック１１の昇温速度が速くなるように制御弁３０，５０の開度を制御する。これにより、燃料電池スタック１１はより短時間のうちに所定の温度Ｔ1に達する。
【0068】
時刻ｔ2において、燃料電池スタック１２が所定の温度Ｔ1に達すると、ＰＯｘが開始される。なお、時刻ｔ1から時刻ｔ2の間、制御弁８０の開度は、燃料電池スタック１１の温度がほぼ一定に保たれるように制御される。また、制御弁８０が開かれた後、燃料電池スタック１１を介して空気供給路３から燃料電池スタック１２，１３に供給される空気は、燃料供給路２から供給される空気よりも温度が低い。即ち、燃料電池スタック１２，１３の昇温に関して、空気供給路３からの空気による昇温の寄与度は燃料供給路２から供給される空気による昇温の寄与度よりも低い。このため、燃料電池スタック１２，１３は主に燃料供給路２からの空気により昇温されるため、燃料電池スタック１２と燃料電池スタック１３との温度のバラツキが抑制される。従って、燃料電池スタック１２が所定の温度Ｔ1に達する時刻ｔ2において、燃料電池スタック１３もほぼ所定の温度Ｔ1に近い温度となる。
【0069】
図５は、第２実施形態による燃料電池システム１００の起動時における燃料電池スタック暖機制御を説明するフローチャートである。なお、以下の制御はいずれもコントローラ７により実行される。
【0070】
コントローラ７はシステム起動指令を受け付けると、システム起動時における燃料電池スタック暖機制御を開始する。
【0071】
システム起動時における燃料電池スタック暖機制御を開始すると、ステップＳ２０１においてコントローラ７は、燃料電池スタック１１，１２，１３の温度を取得する。第１実施形態と同様に、各燃料電池スタック１１，１２，１３のカソード極側出口付近に設置した温度センサにより検出された温度を燃料電池スタック１１，１２，１３の温度とみなす。
【0072】
次にステップＳ２０２において、コントローラ７は、燃料タンク２１からインジェクタ６１１を介して触媒燃焼器４１に原燃料を噴射供給する。触媒燃焼器４１に供給された燃料は触媒燃焼され、燃焼ガスが生成される。
【0073】
次にステップＳ２０３において、コントローラ７は、熱交換改質器（熱交換器）２４への入熱量ＱHと空気熱交換器３２への入熱量ＱA、及び熱交換改質器（熱交換器）２４と空気熱交換器３２への空気供給量比率を決定する。また、コントローラ７は、決定された入熱量になるように第１及び第２排気通路４Ａ，４Ｂを通る燃焼ガスの流量を制御し、決定された空気供給量比率になるように制御弁３０，５０を制御する。
【0074】
熱交換改質器２４への入熱量ＱＨと空気熱交換器３２への入熱量ＱＡ、及び空気供給量比率は、燃料電池スタック１１の昇温速度が速くなるように決定される。具体的には、入熱量ＱＨ，ＱＡ、及び空気供給量比率は、入熱量ＱＨが入熱量ＱＡ以上（ＱＨ
≧ＱＡ）の場合は以下の式（１）に基づき決定され、入熱量ＱＨが入熱量ＱＡより小さい（ＱＨ＜ＱＡ）場合は以下の式（２）に基づき決定される。なお、式（１）、（２）におけるＭａｉｒは空気供給路３に取り込まれる外気の総量、ｍａｉｒ,Ａは空気熱交換器３２に供給される空気の量、ｎは燃料電池スタックの個数である。本実施形態において、ｎは３となる。
【0075】
【数1】
【0076】
【数2】
【0077】
式（１）及び式（２）の左辺（ｍair,A／Ｍair）は空気熱交換器３２への空気供給比率であり、左辺と右辺が等しくなるとき、燃料電池スタック１１は最も速く昇温される。前述のとおり、暖機後の残留空気によりアノード極が酸化してしまうことを防止するため、暖機時における燃料電池スタック１１，１２，１３への加熱空気の供給は、できるだけ空気供給路３側から行われることが好ましい。従って、本実施形態では、空気熱交換器３２への空気供給比率（ｍair,A／Ｍair）は、燃料電池スタック１１が最も速く昇温される場合の空気熱交換器３２への空気供給比率（ｍair,A／Ｍair）以上の大きさに決定される。なお、より好ましくは、燃料電池スタック１１が最も速く昇温される空気供給比率、即ち式（１）及び式（２）の左辺と右辺が等しくなるように空気熱交換器３２への空気供給比率（ｍair,A／Ｍair）を決定する。これにより、燃料電池スタック１１を最も短時間に昇温できる。従って、複数の燃料電池スタック１１，１２，１３の温度のバラツキを抑制しながら暖気を行う場合に比べ、燃料電池スタック１１の暖気時間が短縮されるとともに、複数の燃料電池スタック１１，１２，１３を暖気する全体の暖気時間も短縮される。
【0078】
決定された入熱量ＱH,ＱA、及び空気供給量比率に基づき、コントローラ７により燃焼ガスの流量及び制御弁３０，５０の開度が制御されると、空気熱交換器３２及び熱交換改質器２４に空気が供給され、燃焼ガスにより空気が加熱される。加熱された空気は空気供給路３及び燃料供給路２から、それぞれ燃料電池スタック１１，１２，１３に供給され、各燃料電池スタック１１，１２，１３の暖機が開始される。
【0079】
なお、上記の通り、熱交換改質器２４への入熱量ＱHと空気熱交換器３２への入熱量ＱA、及び空気供給量比率は、式（１）または式（２）に基づき決定することが好ましいが、必ずしもこれに限られず、例えば各燃料電池スタック１１，１２，１３の温度に基づき決定してもよい。
【0080】
続いてステップＳ２０４において、コントローラ７は、空気供給路３の最上流側に配置された燃料電池スタック１１の温度が所定の温度Ｔ1以上に達していないかを判定する。ステップＳ２０４において、燃料電池スタック１１の温度が所定の温度Ｔ1以上に達していない場合、コントローラ７は、ステップＳ２０３の処理に戻り、燃料ガス流量及び制御弁３０，５０の開度を制御する。一方、ステップＳ２０４において、燃料電池スタック１１の温度が所定の温度Ｔ1以上に達している場合、コントローラ７は、ステップＳ２０５の処理を実行する。
【0081】
ステップＳ２０５において、コントローラ７は、制御弁８０を開く。制御弁８０が開かれると、バイパス通路８に空気が流入し、バイパス通路８と空気供給路３とが接続する位置において、燃料電池スタック１１の温度よりも低温の混合空気が生成される。燃料電池スタック１１に低温の混合空気が供給されることで、燃料電池スタック１１の昇温が抑制される。コントローラ７は、空気供給路３から供給される混合空気に対する燃料電池スタック１１からの放熱量が、燃料供給路２から燃料電池スタック１１に供給される空気による燃料電池スタック１１への加熱量以上になるように制御弁８０の開度を制御する。例えば燃料供給路２から燃料電池スタック１１に供給される空気による加熱量が、空気供給路３から燃料電池スタック１１に供給される混合空気に対する放熱量よりも大きい場合、燃料電池スタック１１の温度は上昇してしまう。従って、このような場合、コントローラ７は、制御弁８０の開度を大きくして混合空気の温度を低下させ、燃料電池スタック１１からの放熱量が燃料電池スタック１１への加熱量よりも大きくなるように調整する。これにより、燃料電池スタック１１の昇温が抑制される。
【0082】
また、コントローラ７は、空気供給路３に取り込まれる外気の総量Ｍairに対する熱交換改質器２４への空気供給量の比率が制御弁８０を開く前と後で同一に保たれるように制御弁３０，５０，８０をそれぞれ制御する。即ち、制御弁３０，５０，８０は、以下の式（３）が成立するように制御される。なお、式（３）におけるｍair,Bはバイパス通路８に供給される空気の量、ｍair,Hは熱交換改質器２４に供給される空気の量である。
【0083】
【数3】
【0084】
このように、制御弁８０を開く前と後とで熱交換改質器２４への空気供給量の比率を同一に保つため、空気熱交換器３２に供給される空気量とバイパス通路８に供給される空気量の比率のみにより燃料電池スタック１１の温度を調整できる。即ち、燃料電池スタック１１の温度調整がより容易になる。
【0085】
なお、上記のとおり、制御弁８０を開く前と後とで熱交換改質器２４への空気供給量の比率を同一に保つことが好ましいが、必ずしもこれに限られない。制御弁８０を開く前と後で熱交換改質器２４への空気供給量の比率を変えても、燃料電池スタック１１の温度がスタック酸化防止温度Ｔ0を超えないように制御することができる。
【0086】
次に、ステップＳ２０６において、コントローラ７は、燃料電池スタック１２が所定の温度Ｔ1に達しているか否かを判定する。燃料電池スタック１２が所定の温度Ｔ1に達していない場合、コントローラ７は、ステップＳ２０５に戻り、制御弁８０の開度を制御する。
【0087】
一方、ステップＳ２０６において、燃料電池スタック１２が所定の温度Ｔ1に達している場合、コントローラ７は、ステップＳ２０７の処理を実行する。
【0088】
ステップＳ２０７において、コントローラ７は、熱交換改質器２４において部分酸化改質反応（ＰＯｘ）を開始する。なお、前述のとおり、燃料電池スタック１２が所定の温度Ｔ1に達している場合、燃料電池スタック１３もほぼ所定の温度Ｔ1に近い温度となっている。ＰＯｘが開始されると、コントローラ７は、燃料電池システム１００の起動時における燃料電池スタック暖機制御を終了する。
【0089】
上記した第２実施形態の燃料電池システム１００によれば、さらに以下の効果を得ることができる。
【0090】
本実施形態の燃料電池システム１００においては、連結路５または空気供給路３における空気熱交換器３２の上流側の位置から分岐し、空気熱交換器３２をバイパスして空気供給路３における燃料電池スタック（燃料電池）１１の上流側に接続するバイパス通路８を備える。バイパス通路８には、燃料電池システム１００の起動時に空気熱交換器３２を介さずに空気供給路３から燃料電池スタック（燃料電池）１１に供給される空気の量を調整する制御弁（第３制御弁）８０が設けられる。制御弁８０が開かれると、空気熱交換器３２で加熱された空気は、燃料電池スタック（燃料電池）１１の上流でバイパス通路８を通過した空気と混合され、温度が低下する。このため、燃料電池システム１００の暖機時に制御弁８０が開かれ、空気供給路３から燃料電池スタック１１に混合空気が供給されると、燃料供給路２から燃料電池スタック１１に供給される加熱された空気との間で熱交換が起こる。これにより、燃料電池スタック１１の昇温が抑制される。従って、下流側の燃料電池スタック１２，１３の暖機が完了するのを待っていることで、上流側の燃料電池スタック１１の温度が過度に上昇し、スタック酸化防止温度Ｔ0を超えてしまうことを防止できる。よって、上流側の燃料電池スタック１１のアノード極が酸化してしまうことを防止できる。
【0091】
また、制御弁８０の開度を大きくするほどバイパス通路８を通過する空気の流量が大きくなり、混合空気の温度が低下するため、制御弁８０の開度を制御することで燃料電池スタック１１の温度を制御することができる。このように制御弁８０の開度を調整することで上流側の燃料電池スタック１１の温度を制御できるため、下流側の燃料電池スタック１２，１３の暖機が完了するのを待っている間、上流側の燃料電池スタック１１の温度をスタック酸化防止温度Ｔ0以下の一定の温度に保つことができる。これにより、上流側の燃料電池スタック１１の温度がスタック酸化防止温度Ｔ0を超えてしまうことを防止しつつ、下流側の燃料電池スタック１２，１３の暖機が完了するまでの間、燃料電池スタック１１の温度を、ＰＯｘを開始するのに適切な温度に維持することができる。従って、下流側の燃料電池スタック１２，１３の暖機が完了した際にすぐにＰＯｘを開始できる。即ち、複数の燃料電池スタック１１，１２，１３の暖気時間を短縮することができる。
【0092】
本実施形態の燃料電池システム１００においては、燃料電池システム１００の起動時に、複数の燃料電池スタック（燃料電池）１１，１２，１３のうち、空気熱交換器３２に最も近い燃料電池スタック（第１の燃料電池）１１が所定の温度Ｔ1に到達するまでは、燃料電池スタック（第１の燃料電池）１１の昇温速度が最も早くなるように制御弁（第１制御弁）３０及び制御弁（第２制御弁）５０の開度を制御する。燃料電池スタック（第１の燃料電池）１１が所定の温度に到達した後は、空気供給路３から供給される空気に対して燃料電池スタック（第１の燃料電池）１１から放熱される熱量が、燃料供給路２から燃料電池スタック（第１の燃料電池）１１に供給される空気による加熱量以上になるように制御弁（第３の制御弁）８０の開度を制御する。このように、燃料電池スタック（第１の燃料電池）１１が所定の温度に到達するまでは、燃料電池スタック（第１の燃料電池）１１の昇温速度が最も早くなるように制御弁（第１制御弁）３０及び制御弁（第２制御弁）５０の開度を制御するため、燃料電池スタック１１を短時間に昇温できる。従って、複数の燃料電池スタック（燃料電池）１１，１２，１３の温度のバラツキを抑制しながら暖気を行う場合に比べ、燃料電池スタック１１の暖気時間が短縮されるとともに、複数の燃料電池スタック１１，１２，１３を暖気する全体の暖気時間も短縮することができる。
【0093】
また、燃料電池スタック（第１の燃料電池）１１が所定の温度に到達した後は、燃料電池スタック（第１の燃料電池）１１の放熱量が、加熱量以上になるように制御弁（第３の制御弁）８０の開度を制御するため、上流側の燃料電池スタック１１の温度がスタック酸化防止温度Ｔ0を超えてしまうことより確実に防止できる。
【0094】
本実施形態の燃料電池システム１００においては、燃料電池システム１００の起動時に、複数の燃料電池スタック（燃料電池）１１，１２，１３のうち、空気熱交換器３２に最も近い燃料電池スタック（第１の燃料電池）１１が所定の温度に到達するまでは、制御弁（第１制御弁）３０及び制御弁（第２制御弁）５０の開度は以下のように制御される。即ち、熱交換改質器（熱交換器）２４への入熱量ＱHが空気熱交換器３２への入熱量ＱAよりも大きい場合、熱交換改質器（熱交換器）２４及び空気熱交換器３２への空気供給量の総量Ｍairに対する空気熱交換器３２への空気供給比率ｍair,A／Ｍairが、複数の燃料電池スタック（燃料電池）の個数ｎを熱交換改質器（熱交換器）２４及び空気熱交換器３２への入熱量の総量ＱH＋ＱAに対する熱交換改質器（熱交換器）２４への入熱量比率ＱH／ＱH＋ＱAで除した値以上になるように制御弁（第１制御弁）３０及び制御弁（第２制御弁）５０の開度を制御する。また、熱交換改質器（熱交換器）２４への入熱量ＱHが空気熱交換器３２への入熱量ＱAよりも小さい場合、熱交換改質器（熱交換器）２４及び空気熱交換器３２への空気供給量の総量Ｍairに対する空気熱交換器３２への空気供給比率ｍair,A／Ｍairが、熱交換改質器（熱交換器）２４及び空気熱交換器３２への入熱量の総量ＱH＋ＱAに対する熱交換改質器（熱交換器）２４への入熱量比率ＱH／ＱH＋ＱA以上になるように制御弁（第１制御弁）３０及び制御弁（第２制御弁）５０の開度を制御する。即ち、燃料電池スタック（第１の燃料電池）１１が所定の温度に到達するまでは、空気熱交換器３２への空気供給比率（ｍair,A／Ｍair）が、燃料電池スタック１１が最も速く昇温される場合の空気熱交換器３２への空気供給比率以上の大きさになるように制御弁（第１制御弁）３０及び制御弁（第２制御弁）５０の開度が制御される。このように、燃料電池スタック（第１の燃料電池）１１の昇温速度が最も早くなる空気供給比率か、またはそれよりも空気供給路３からの空気供給比率が高くなるように複数の燃料電池スタック（燃料電池）１１，１２，１３に空気が供給される。従って、燃料供給路２からの空気供給を抑えることができ、暖機後の残留空気によりアノード極が酸化してしまうことを防止できる。
【0095】
本実施形態の燃料電池システム１００においては、制御弁（第３制御弁）８０を閉じた状態において熱交換改質器（熱交換器）２４及び空気熱交換器３２への空気供給量の総量Ｍairに対する熱交換改質器（熱交換器）２４への空気供給比率（ｍair,H／Ｍair）と、制御弁（第３制御弁）８０を開いた状態において熱交換改質器（熱交換器）２４、空気熱交換器３２及びバイパス通路８への空気供給量の総量Ｍairに対する熱交換改質器（熱交換器）２４への空気供給比率（ｍair,H／Ｍair）とが等しくなるように、制御弁（第１制御弁）３０、制御弁（第２制御弁）５０及び制御弁（第３制御弁）８０の開度を調整する。即ち、空気供給路３に取り込まれる外気の総量Ｍairに対する熱交換改質器２４への空気供給量の比率（ｍair,H／Ｍair）が制御弁８０を開く前と後で同一に保たれるように制御弁（第１から第３の制御弁）３０，５０，８０をそれぞれ制御する。このように、制御弁（第３制御弁）８０を開く前と後とで熱交換改質器２４への空気供給量の比率（ｍair,H／Ｍair）を同一に保つため、空気熱交換器３２に供給される空気量とバイパス通路８に供給される空気量の比率のみにより燃料電池スタック１１の温度を調整できる。従って、燃料電池スタック１１の温度調整がより容易になる。
【0096】
（第２実施形態の変形例）
図６を参照して、第２実施形態の変形例の燃料電池システム１００を説明する。なお、第１実施形態及び第２実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図６を参照して、第２実施形態の変形例の燃料電池システム１００を説明する。なお、第１実施形態及び第２実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0097】
本実施形態では、燃料電池スタック１１が所定の温度に到達するまでは、圧力損失が最小になるような空気供給比率で熱交換改質器（熱交換器）２４と空気熱交換器３２とに空気が供給される点が他の実施形態と異なる。
【0098】
図６は第２実施形態の変形例による燃料電池システム１００の起動時における燃料電池スタック暖機制御を説明するフローチャートである。なお、以下の制御はいずれもコントローラ７により実行される。
【0099】
ステップＳ２０１及びステップＳ２０２の処理は第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【0100】
ステップＳ２１３において、コントローラ７は、熱交換改質器（熱交換器）２４への入熱量ＱHと空気熱交換器３２への入熱量ＱA、及び熱交換改質器（熱交換器）２４と空気熱交換器３２への空気供給量比率を決定する。また、コントローラ７は、決定された入熱量になるように第１及び第２排気通路４Ａ，４Ｂを通る燃焼ガスの流量を制御し、決定された空気供給量比率になるように制御弁３０，５０を制御する。
【0101】
熱交換改質器２４への入熱量ＱHと空気熱交換器３２への入熱量ＱA、及び空気供給量比率は、前述の式（１）、（２）を満たしつつ、且つ燃料供給路２と空気供給路３とによる空気の総圧力損失（総圧損）が最小となるように決定される。燃料供給路２における空気の圧力損失ΔＰanと、空気供給路３における空気の圧力損失ΔＰca、燃料供給路２と空気供給路３とによる空気の総圧損ΔＰtotalは、以下の式（４）により求めることができる。なお、式（４）におけるΔｐanは燃料供給路２から各燃料電池スタックに供給されるそれぞれの空気の圧力損失、Δｐcaは空気供給路３から各燃料電池スタックに供給されるそれぞれの空気の圧力損失、Ａan
2は燃料供給路２の断面積、Ａca
2は空気供給路３の断面積、ｍanは燃料供給路２への空気供給量、ｍcaは空気供給路３への空気供給量である。
【0102】
【数4】
【0103】
式（４）において、燃料供給路２の断面積Ａan
2及び空気供給路３の断面積Ａca
2は既知の値である。式（４）より、燃料電池スタックの個数ｎの値によって、それぞれ総圧損ΔＰtotalが最小となる燃料供給路２と空気供給路３とへの空気供給比率（ｍan：ｍca）が決まる。本実施形態では燃料電池スタックの個数ｎは３となり、例えば燃料供給路２の断面積Ａan
2及び空気供給路３の断面積Ａca
2が等しい場合、総圧損ΔＰtotalが最小となる空気供給比率（ｍan：ｍca）は５：５となる。
【0104】
決定された入熱量ＱH,ＱA、及び空気供給量比率に基づき、コントローラ７により燃焼ガスの流量及び制御弁３０，５０の開度が制御されると、空気熱交換器３２及び熱交換改質器２４に空気が供給され、燃焼ガスにより空気が加熱される。加熱された空気は空気供給路３及び燃料供給路２から、それぞれ燃料電池スタック１１，１２，１３に供給され、各燃料電池スタック１１，１２，１３の暖機が開始される。
【0105】
ステップＳ２０４～ステップＳ２０７の処理は第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【0106】
上記した第２実施形態の変形例の燃料電池システム１００によれば、さらに以下の効果を得ることができる。
【0107】
本実施形態の燃料電池システム１００においては、燃料電池システム１００の起動時に、燃料電池スタック（第１の燃料電池）１１が所定の温度Ｔ1に到達するまでの間は、燃料供給路２による空気の圧力損失Δｐanと空気供給路３による空気の圧力損失Δｐcaとの合計である総圧力損失ΔＰtotalが最小の値になるように制御弁（第１制御弁）３０及び制御弁（第２制御弁）５０の開度を調整する。このように、総圧力損失ΔＰtotalが最小の値になるように空気供給比率（ｍan：ｍca）を制御するため、空気供給路３に外気を取り込む空気ブロア３１の消費電力を抑制することができ、システム全体の効率化を向上させることができる。
【0108】
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。
【0109】
上記した各実施形態は、それぞれ単独の実施形態として説明したが、適宜組み合わせてもよい。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】