特許 7204574 燃料電池システム制御方法及び燃料電池システム

(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】2023-01-05

(45)【発行日】2023-01-16

(54)【発明の名称】燃料電池システム制御方法及び燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04014 20160101AFI20230106BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20230106BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20230106BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20230106BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20230106BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20230106BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20230106BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04014

H01M8/04302

H01M8/0432

H01M8/04746

H01M8/04701

H01M8/04225

H01M8/12 101

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2019084453

(22)【出願日】2019-04-25

(65)【公開番号】P2020181730

(43)【公開日】2020-11-05

【審査請求日】2022-02-04

(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

(73)【特許権者】

【識別番号】597083976

【氏名又は名称】アー・ファウ・エル・リスト・ゲー・エム・ベー・ハー

【氏名又は名称原語表記】ＡＶＬ ＬＩＳＴ ＧＭＢＨ

【住所又は居所原語表記】ＨＡＮＳ－ＬＩＳＴ－ＰＬＡＴＺ １，Ａ－８０２０ ＧＲＡＺ，ＡＵＳＴＲＩＡ

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】矢口 竜也

(72)【発明者】

【氏名】筑後 隼人

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 真一

(72)【発明者】

【氏名】ヨルグ マテ

(72)【発明者】

【氏名】ベアント ライター

(72)【発明者】

【氏名】ゼップ シュタイナー

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／０３５１６７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００１－２８３８８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０５４００３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池と、前記燃料電池による発電が可能となるように原燃料を処理する原料処理器と、を備えた燃料電池システムの起動時に実行され、前記燃料電池から排出されるオフガスと原燃料を燃焼させて得られる燃焼排ガスを前記燃料電池の加熱装置及び前記原料処理器に分流することで、前記燃料電池の暖機及び前記原料処理器の暖機を行う燃料電池システム制御方法であって、
前記燃料電池の暖機度合及び前記原料処理器の暖機度合に基づいて、前記加熱装置及び前記原料処理器に供給する前記燃焼排ガスの分流比を調節する、
燃料電池システム制御方法。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを、前記燃料電池から排出されるアノードオフガス及び原燃料の少なくとも一方と反応させて前記燃焼排ガスを生成する排気燃焼器と、
前記原料処理器を介して前記燃料電池に燃料を供給する第１燃料供給装置と、
前記排気燃焼器に原燃料を供給する第２燃料供給装置と、
前記燃料電池に空気を供給する空気供給系に設けられ、前記加熱装置として機能する空気加熱器と、
前記排気燃焼器から排出される前記燃焼排ガスを前記原料処理器に分流する第１排ガス分流路と、
前記排気燃焼器から排出される前記燃焼排ガスを前記空気加熱器に分流する第２排ガス分流路と、
前記第１排ガス分流路及び前記第２排ガス分流路の少なくとも何れか一方に設けられた排ガス流量調節装置と、を備え、
前記排ガス流量調節装置を操作することで、前記第１排ガス分流路及び前記第２排ガス分流路の少なくとも一方における燃焼排ガス流量を調節して前記分流比を設定する、
燃料電池システム制御方法。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記原料処理器の暖機度合よりも前記燃料電池の暖機度合が大きい場合に、前記加熱装置に供給する燃焼排ガス流量を減少させるか、又は前記原料処理器に供給する燃焼排ガス流量を増加させるように、前記分流比を調節する、
燃料電池システム制御方法。

【請求項4】

請求項１～３の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記燃料電池の暖機度合を該燃料電池の温度に基づいて判断し、
前記原料処理器の暖機度合を該原料処理器の温度に基づいて判断する、
燃料電池システム制御方法。

【請求項5】

請求項１～４の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記燃料電池の温度が第１目標暖機温度に到達すると、前記原料処理器の暖機が完了するまで前記燃料電池の温度を維持するか又は温度上昇を抑制するように前記分流比を調節する、
燃料電池システム制御方法。

【請求項6】

請求項５に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記第１目標暖機温度は、前記燃料電池のアノード極内の酸化劣化を生じ得る酸化劣化温度よりも低く設定される、
燃料電池システム制御方法。

【請求項7】

請求項５又は６に記載の燃料電池システム制御方法であって、
さらに、前記原料処理器の暖機が完了すると前記燃料電池への燃料供給を開始する、
燃料電池システム制御方法。

【請求項8】

請求項５～７の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記原料処理器の暖機が完了すると、前記燃料電池の温度を該燃料電池の暖機を完了させるべき第２目標暖機温度に昇温させるように前記分流比を調節する、
燃料電池システム制御方法。

【請求項9】

燃料電池と、
前記燃料電池による発電が可能となるように原燃料を処理する原料処理器と、
前記燃料電池から排出されるカソードオフガスと、アノードオフガス及び原燃料の少なくとも一方と、を反応させて燃焼排ガスを発生させる排気燃焼器と、
前記原料処理器を介して前記燃料電池に燃料を供給する第１燃料供給装置と、
前記排気燃焼器に原燃料を供給する第２燃料供給装置と、
前記燃料電池に空気を供給する空気供給系に設けられる空気加熱器と、
前記排気燃焼器から排出される前記燃焼排ガスを前記原料処理器に分流する第１排ガス分流路と、
前記排気燃焼器から排出される前記燃焼排ガスを前記空気加熱器に分流する第２排ガス分流路と、
前記第１排ガス分流路及び前記第２排ガス分流路の少なくとも何れか一方に設けられ、前記第１排ガス分流路及び前記第２排ガス分流路の少なくとも一方における燃焼排ガス流量を調節する排ガス流量調節装置と、
前記排ガス流量調節装置を操作する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、システム起動時において、前記燃料電池の暖機度合及び前記原料処理器の暖機度合に基づいて、前記排ガス流量調節装置を操作する、
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、
前記原料処理器は、原燃料を気化させる蒸発器と、前記蒸発器からの気化燃料を改質する改質器と、を含み、
前記第１排ガス分流路は、上流から順に、前記改質器、及び前記蒸発器を通過して排気系に接続するように構成され、
前記第１排ガス分流路における前記改質器と前記蒸発器の間の位置、及び前記蒸発器と前記排気系の間の位置の少なくとも何れかに燃焼排ガス温度センサが設けられ、
前記制御装置は、
前記燃焼排ガス温度センサの検出値に基づいて前記原料処理器の暖機度合を判定する、
燃料電池システム。

【請求項11】

請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
前記原料処理器は、前記第１排ガス分流路における前記改質器と前記蒸発器の間に配置され、前記蒸発器から前記改質器へ送られる前記気化燃料をさらに加熱する過加熱器をさらに有し、
前記第１排ガス分流路における前記改質器と前記過加熱器の間の位置、前記過加熱器と前記蒸発器の間の位置、及び前記蒸発器と前記排気系の間の位置の少なくとも何れかに前記燃焼排ガス温度センサが設けられた、
燃料電池システム。

【請求項12】

請求項９～１１の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の空気極入口及び空気極出口の少なくとも一方に空気温度センサが設けられ、
前記制御装置は、
前記空気温度センサの検出値に基づいて、前記燃料電池の暖機度合を判定する、
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、燃料電池システム制御方法及び燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、燃焼部、発電部（燃料電池）、原料処理器（改質器及び蒸発器など）、燃料電池に供給する空気を加熱する空気予熱部、及び原料処理器を加熱する改質熱交換器を備えた燃料電池システムが開示されている。

【0003】

この燃料電池システムでは、燃焼部からの排気ガスを燃料電池、空気予熱部、及び改質熱交換器に供給する。特に、この燃料電池システムは、燃焼部からの排気ガスを空気予熱部及び改質熱交換器のそれぞれに分配して排気するための並列な排出通路を備えている。そして、燃料電池システムの起動時に、空気熱交換器側の排出流路に設けられたバルブを開放することで、排気ガスが空気熱交換器及び改質熱交換器に双方に供給され、燃料電池及び原料処理器の暖機が並列して進行することとなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００８－２７７２８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記燃料電池システムでは、燃料電池及び原料処理器の暖機が並行して行われることで、燃料電池の暖機の進行（暖機度合）と原料処理器の暖機の進行（暖機度合）が相互に適切なバランスとならないことがある。このため、一方の暖機が一定以上進行しているにもかかわらず、他方の暖機の進行が所望の範囲に達していないという事態が生じる。

【0006】

したがって、本発明の目的は、燃料電池と原料処理器の間における暖機進行のバランスを好適に調節することのできる燃料電池システム制御方法及び燃料電池システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のある態様によれば、燃料電池と、燃料電池による発電が可能となるように原燃料を処理する原料処理器と、を備えた燃料電池システムの起動時に実行される燃料電池システム制御方法が提供される。この燃料電池システム制御方法では、燃料電池から排出されるオフガスと原燃料を燃焼させて得られる燃焼排ガスを燃料電池の加熱装置及び原料処理器に分流することで、燃料電池の暖機及び原料処理器の暖機を行う。そして、燃料電池の暖機度合及び原料処理器の暖機度合に基づいて、加熱装置及び原料処理器に供給する燃焼排ガスの分流比を調節する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、燃料電池と原料処理器の間における暖機進行のバランスを好適に調節することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

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

【図2】図２は、本実施形態の暖機運転モードを説明するフローチャートである。

【図3】図３は、暖機運転モードの進行を説明するタイミングチャートである。

【図4A】図４Ａは、燃焼排ガス温度センサの設置位置に関する第１の変形例を示す図である。

【図4B】図４Ｂは、燃焼排ガス温度センサの設置位置に関する第２の変形例を示す図である。

【図5】図５は、原料処理器の変形例を説明する図である。

【図6】図６は、排気バルブの設置位置に関する第１の変形例を説明する図である。

【図7】図７は、排気バルブの設置位置に関する第２の変形例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

【0011】

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を示している。本実施形態に係る燃料電池システム１００は、例えば、車両等の移動体用の電源、又は定置用の電源として用いることができる。

【0012】

図示のように、燃料電池システム１００は、主として、燃料電池スタック１０と、排気燃焼器１２と、原料処理器１４と、第１インジェクタ１６と、第２インジェクタ１８と、空気熱交換器２０と、コントローラ８０と、を備えている。

【0013】

燃料電池スタック１０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、固体酸化物型燃料電池（SOFF：Solid Oxide Fuel Cell）である。燃料電池スタック１０を構成する各セルは、還元剤ガスとしての改質燃料（アノードガス）及び酸化剤ガスとしての空気（カソードガス）を電気化学反応させて発電を行う。

【0014】

特に、本実施形態の燃料電池スタック１０には、原料処理器１４から主燃料供給通路２２を介して還元剤ガスとしての改質燃料が供給される。また、燃料電池スタック１０には、発電のための、エアブロア３００から空気供給通路３４を介して酸化剤ガスとして空気が供給される。すなわち、燃料電池スタック１０のアノード極（燃料極）の入口には主燃料供給通路２２が接続されている。また、燃料電池スタック１０のカソード極（空気極）の入口には空気供給通路３４が接続されている。

【0015】

さらに、燃料電池スタック１０のアノード極の出口には、発電反応によってアノード極内に発生するオフガス（アノードオフガス）を排出するためのアノードオフガス通路２６が接続されている。また、燃料電池スタック１０のカソード極の出口には、発電反応によってカソード内に発生するオフガス（カソードオフガス）を排出するためのカソードオフガス通路２８が接続されている。そして、このアノードオフガス通路２６及びカソードオフガス通路２８は、共に、排気燃焼器１２に接続されている。

【0016】

排気燃焼器１２は、副燃料供給通路３０を介して燃料タンク２００から供給される原燃料（例えば、エタノール混合水）と、アノードオフガス通路２６及びカソードオフガス通路２８を介して供給されるオフガスと、の混合物を燃焼させて燃焼排ガスを生成する。

【0017】

より詳細には、排気燃焼器１２は、この混合物を図示しない燃焼用触媒によって触媒燃焼させて燃焼排ガスを生成する。なお、例えば、後述する燃料電池スタック１０の第２暖機モード中又は通常発電運転中においては、副燃料供給通路３０を介した排気燃焼器１２への原燃料の供給を遮断して、オフガス（アノードオフガス及びカソードオフガスの混合物）のみを燃焼させて燃焼排ガスを生成することも可能である。

【0018】

また、排気燃焼器１２には、生成した燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス通路３２が接続されている。そして、この燃焼排ガス通路３２は、原料処理器１４に繋がる第１排ガス分流路３２ａと、空気熱交換器２０に繋がる第２排ガス分流路３２ｂと、により構成されている。すなわち、本実施形態の燃料電池システム１００には、いわゆるパラレル排気システムが採用されている。

【0019】

より詳細には、燃焼排ガス通路３２は、排気燃焼器１２の下流位置の合流部Ｊ１において第１排ガス分流路３２ａ及び第２排ガス分流路３２ｂに分岐する構成をとっている。

【0020】

第１排ガス分流路３２ａは、合流部Ｊ１から空気熱交換器２０を通過して、合流部Ｊ２において第２排ガス分流路３２ｂと合流しつつ排気系４００に連通するように構成されている。一方、第２排ガス分流路３２ｂは、合流部Ｊ１から原料処理器１４を通過して、合流部Ｊ２において第１排ガス分流路３２ａと合流しつつ排気系４００に連通するように構成されている。

【0021】

また、本実施形態の燃料電池システム１００では、第２排ガス分流路３２ｂにおける空気熱交換器２０と合流部Ｊ２の間の位置に、排ガス流量調節装置としての排気バルブ３６が設けられている。

【0022】

排気バルブ３６は、第２排ガス分流路３２ｂを流れる燃焼排ガスの流量（以下、「第２燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_２」とも記載する）の調節が可能となるように、連続的又は段階的に開度調整可能に構成されている。

【0023】

特に、本実施形態の燃焼排ガス通路３２は第１排ガス分流路３２ａ及び第２排ガス分流路３２ｂに分流している構成であるため、排気バルブ３６の開度（以下、「排気バルブ開度Ｏｅｖ」とも記載する）を操作することで第１排ガス分流路３２ａにおける燃焼排ガス流量「以下、「第１燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_１」とも記載する」、及び第２燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_２を一体として調節することができる。

【0024】

すなわち、排気バルブ開度Ｏｅｖを大きくすると、第１燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_１が減少しつつ、第２燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_２が増加する。逆に、排気バルブ開度Ｏｅｖを小さくすると、第１燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_１が増加しつつ、第２燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_２が減少する。

【0025】

なお、以下では、第２燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_２に対する第１燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_１の比の値（すなわち、「Ｑｅｘ_１／Ｑｅｘ_２」）を「分流比γ１／２」と定義する。

【0026】

したがって、本実施形態の燃料電池システム１００では、排気バルブ開度Ｏｅｖを適宜調節することで、原料処理器１４と空気熱交換器２０に対する加熱量のバランスを調節することができる。

【0027】

原料処理器１４は、主燃料供給通路２２を介して燃料タンク２００から供給される原燃料を燃料電池スタック１０による発電が可能となるように処理する装置である。より詳細には、原料処理器１４は、主燃料供給通路２２における上流から順に、蒸発器１４ａと、過加熱器１４ｂと、改質器１４ｃと、を有している。なお、原料処理器１４は、ガス処理装置（gas processing unit）とも呼ばれる。

【0028】

蒸発器１４ａは、主燃料供給通路２２を介して燃料タンク２００から送られてくる原燃料を、第１排ガス分流路３２ａを介して過加熱器１４ｂから送られてくる燃焼排ガスの熱で加熱して気化する熱交換器である。すなわち、蒸発器１４ａは、原燃料を改質器１４ｃによる改質反応に適した気化燃料とする熱交換器である。

【0029】

過加熱器１４ｂは、蒸発器１４ａからの気化燃料を、第１排ガス分流路３２ａを介して改質器１４ｃから送られてくる燃焼排ガスとの熱交換で加熱する熱交換器である。すなわち、過加熱器１４ｂは、より確実なガス状態の燃料を改質器１４ｃに供給する観点から設けられる補助的な加熱装置である。

【0030】

改質器１４ｃは、主燃料供給通路２２を介して過加熱器１４ｂからの燃料ガスを図示しない改質用触媒によって改質反応させ、燃料電池スタック１０における発電に適した改質燃料を生成する装置である。特に、改質器１４ｃの内部には、過加熱器１４ｂからの燃料ガスを排気燃焼器１２からの燃焼排ガスの熱で加熱する熱交換路と、過加熱器１４ｂからの燃料ガスを触媒反応させる改質用触媒が担持された改質反応路と、が構成されている。

【0031】

空気熱交換器２０は、燃焼排ガスの熱で燃料電池スタック１０に供給される空気を加熱する装置である。より詳細には、空気熱交換器２０は、空気供給通路３４におけるエアブロア３００の下流且つ燃料電池スタック１０の上流の位置に配置されている。そして、本実施形態の空気熱交換器２０は、上述のように第２排ガス分流路３２ｂが接続されている。すなわち、空気熱交換器２０は、エアブロア３００から空気供給通路３４を介して燃料電池スタック１０に圧送される空気を、排気燃焼器１２からの燃焼排ガスとの熱交換により加熱する熱交換器として構成される。

【0032】

さらに、本実施形態では、原料処理器１４に供給する原燃料の流量（以下、単に「主燃料流量Ｆ１」とも記載する）を調節する第１インジェクタ１６が、主燃料供給通路２２における原料処理器１４の上流に配置されている。

【0033】

さらに、排気燃焼器１２に直接供給する原燃料の流量（以下、単に「副供給燃料流量Ｆ２」とも記載する）を調節する第２インジェクタ１８が、副燃料供給通路３０における排気燃焼器１２の上流に配置されている。

【0034】

コントローラ８０は、燃料電池システム１００の運転に要する各種装置ないし部品の動作を制御する。特に、本実施形態において、コントローラ８０は、空気極入口温度センサ１０１、空気極出口温度センサ１０２、及び燃焼排ガス温度センサ１０３における検出値の信号を受信し、これら信号に基づいて第１インジェクタ１６、第２インジェクタ１８、排気バルブ３６、及びエアブロア３００を操作する制御装置である。

【0035】

より詳細に、コントローラ８０は、後述する暖機運転において各部品の暖機の進行に応じて要求される熱量、及び燃料電池スタック１０に対する要求発電電力などに基づいて目標空気流量（エアブロア３００の目標出力）を設定する。さらに、コントローラ８０は、この目標空気流量に基づいて主燃料流量Ｆ１及び副供給燃料流量Ｆ２を定め、これを実現するように第１インジェクタ１６及び第２インジェクタ１８の開度を操作する。

【0036】

コントローラ８０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）を備えたコンピュータ、特にマイクロコンピュータで構成される。そして、コントローラ８０は、本実施形態に係る各処理を実行可能となるようにプログラムされている。

【0037】

なお、コントローラ８０を一つの装置（ハードウェア）により実現しても良い。一方で、コントローラ８０を、本実施形態で説明する各処理を分散処理するようにプログラムされた複数の装置（ハードウェア）により実現しても良い。

【0038】

ここで、空気極入口温度センサ１０１は、空気供給通路３４における空気熱交換器２０の下流且つ燃料電池スタック１０の上流の位置に設けられ、当該位置における空気の温度を検出するセンサである。また、空気極出口温度センサ１０２は、カソードオフガス通路２８における燃料電池スタック１０の下流且つ排気燃焼器１２の上流の位置に設けられ、当該位置におけるガスの温度を検出するセンサである。

【0039】

さらに、燃焼排ガス温度センサ１０３は、第１排ガス分流路３２ａにおける原料処理器１４の下流且つ合流部Ｊ２の上流の位置に設けられ、当該位置における燃焼排ガスの温度を検出するセンサである。

【0040】

そして、本実施形態において、コントローラ８０は、燃料電池システム１００の外部からシステム起動要求信号を検出すると、システム起動時の処理として、排気燃焼器１２の暖機、燃料電池スタック１０の暖機、及び原料処理器１４の暖機を並行して行う暖機運転モードを実行する。

【0041】

ここで、本実施形態における排気燃焼器１２の暖機とは、システム起動時の初期段階において、排気燃焼器１２の温度（以下、「燃焼器温度Ｔｃ」とも記載する）を、排気燃焼器１２の燃焼触媒による触媒反応が実行可能となる温度として予め設定された目標温度（以下、「目標燃焼器暖機温度Ｔｃ_ｔ」とも記載する）まで昇温させる処理である。本処理において、コントローラ８０は、排気燃焼器１２に設けられる図示しないヒータ等の加熱装置を用い排気燃焼器１２の暖機を行う。

【0042】

なお、本実施形態では、コントローラ８０は、空気極入口温度センサ１０１の検出値、空気極出口温度センサ１０２の検出値、燃焼排ガス温度センサ１０３の検出値、又はこれらの検出値の２以上の組み合わせから燃焼器温度Ｔｃを求めることができる。一方、燃焼排ガス通路３２における排気燃焼器１２の下流且つ合流部Ｊ１の上流に温度センサを配置し、当該温度センサの検出値を燃焼器温度Ｔｃとして取得しても良い。

【0043】

また、燃料電池スタック１０の暖機とは、燃料電池スタック１０の温度（以下、「スタック温度Ｔｓ」とも記載する）を、所望の目標暖機温度まで昇温させる処理である。なお、本実施形態では、コントローラ８０は、空気極入口温度センサ１０１及び空気極出口温度センサ１０２の各検出値の平均値をスタック温度Ｔｓとして取得する。一方で、これらの各検出値の内の大きい方若しくは小さい方などの何れか一方の値をスタック温度Ｔｓとして取得しても良い。

【0044】

特に、本実施形態では、コントローラ８０は、燃料電池スタック１０の暖機を第１暖機モードと第２暖機モードの２つのフェーズに分けて実行する。

【0045】

第１暖機モードにおいてコントローラ８０は、アノード極触媒（主にニッケル）の酸化劣化が生じ得る温度である酸化劣化温度Ｔｄ（例えば４００℃～５００℃の間の温度）よりも低い第１スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ１を、目標暖機温度として設定する。

【0046】

一方、第２暖機モードにおいてコントローラ８０は、発電を好適に実行する観点から定まる第２スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ２（例えば、８００℃～９００℃）を、目標暖機温度として設定する。

【0047】

さらに、原料処理器１４の暖機とは、原料処理器１４の温度（以下、「原料処理器温度Ｔｐ」とも記載する）を所望の目標暖機温度（以下、「目標原料処理器温度Ｔｐ_ｔ」とも記載する）まで昇温させる処理である。ここで、目標原料処理器温度Ｔｐ_ｔは、原料処理器１４による原燃料に対する処理を好適に実行する観点から定まる値に設定される。なお、本実施形態では、コントローラ８０は、燃焼排ガス温度センサ１０３の検出値を原料処理器温度Ｔｐとして取得する。

【0048】

以下では、本実施形態の暖機運転モードについてより詳細に説明する。

【0049】

図２は、本実施形態の燃料電池システム１００における暖機運転モードを説明するフローチャートである。

【0050】

図示のように、ステップＳ１００において、コントローラ８０は、排気バルブ開度Ｏｅｖを初期排気バルブ開度Ｏｅｖ_０に設定する。ここで、初期排気バルブ開度Ｏｅｖ_０は、燃料電池システム１００の設計に応じて適宜設定することができる。

【0051】

ステップＳ１１０において、コントローラ８０は、エアブロア３００を起動させて燃料電池スタック１０への空気の供給を開始する。

【0052】

ステップＳ１２０において、コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが第２スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ２以上であるか否かを判定する。すなわち、これは、燃料電池スタック１０の暖機が必要であるか否かの判定に相当する。

【0053】

この判定の結果が肯定的である場合には、コントローラ８０は、本暖機運転モードを終了する。一方、この判定の結果が否定的である場合には、コントローラ８０はステップＳ１３０の処理に移行する。

【0054】

ステップＳ１３０において、コントローラ８０は、燃焼器温度Ｔｃが目標燃焼器暖機温度Ｔｃ_ｔ以上であるか否かを判定する。すなわち、これは、排気燃焼器１２の暖機が必要であるか否かの判定に相当する。

【0055】

この判定の結果が否定的である場合、コントローラ８０はステップＳ１４０の処理に移行する。

【0056】

ステップＳ１４０において、コントローラ８０は、排気燃焼器１２の暖機を実行する。コントローラ８０は、燃焼器温度Ｔｃが目標燃焼器暖機温度Ｔｃ_ｔに到達させるように、上述した図示しないヒータ等の加熱装置を操作して排気燃焼器１２が加熱する。

【0057】

一方、上記ステップＳ１３０における判定が肯定的である場合、コントローラ８０はステップＳ１５０の処理に移行する。

【0058】

ステップＳ１５０において、コントローラ８０は、排気燃焼器１２への燃料供給を開始する。すなわち、コントローラ８０は、第２インジェクタ１８を開放する。

【0059】

ステップＳ１６０において、コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが第１スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ１以上であるか否かを判定する。これは、まもなくスタック温度Ｔｓが酸化劣化温度Ｔｄに到達するであろうと判断できる程度に、燃料電池スタック１０の暖機度合が進行している否かの判定に相当する。

【0060】

この判定の結果が否定的である場合、コントローラ８０はステップＳ１７０の処理に移行する。

【0061】

ステップＳ１７０において、コントローラ８０は第１暖機モードを実行する。

【0062】

具体的に、コントローラ８０は、排気バルブ開度Ｏｅｖを初期排気バルブ開度Ｏｅｖ_０に維持した状態で、排気燃焼器１２に副燃料供給通路３０を介して原燃料を供給する。これにより、燃料電池スタック１０及び原料処理器１４は、初期排気バルブ開度Ｏｅｖ_０（初期の分流比γ１／２）に応じた昇温速度で並行して加熱される。なお、コントローラ８０は、本第１暖機モードを、スタック温度Ｔｓが第１スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ１に達するまで継続する。

【0063】

一方、上記ステップＳ１６０における判定が肯定的である場合、コントローラ８０はステップＳ１８０の処理に移行する。

【0064】

ステップＳ１８０において、コントローラ８０は、原料処理器温度Ｔｐが目標原料処理器温度Ｔｐ_ｔ以上であるか否かを判定する。これは、原料処理器１４の暖機が完了しているか否かの判定に相当する。

【0065】

この判定の結果が否定的である場合、コントローラ８０はステップＳ１９０の処理に移行する。

【0066】

ステップＳ１９０において、コントローラ８０は、分流比調節モードを実行する。

【0067】

具体的に、コントローラ８０は、第２燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_２に対する第１燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_１の比の値である分流比γ１／２が増大するように、排気バルブ開度Ｏｅｖを減少させる（排気バルブ３６をより閉塞側に操作する）。

【0068】

これにより、空気熱交換器２０に供給される燃焼排ガスの流量が減少する一方で、原料処理器１４に供給される燃焼排ガスの流量が増大する。すなわち、燃焼排ガスが保有する燃焼熱の燃料電池スタック１０への分配量が減少し、原料処理器１４への分配量が増大する。このため、燃料電池スタック１０の暖機速度が低下し、原料処理器１４の暖機速度が増加する。

【0069】

なお、コントローラ８０は、分流比調節モードを、原料処理器温度Ｔｐが目標原料処理器温度Ｔｐ_ｔに達するまで継続する。さらに、原料処理器温度Ｔｐが目標原料処理器温度Ｔｐ_ｔに到達すると、コントローラ８０は、排気バルブ開度Ｏｅｖを増加させて初期排気バルブ開度Ｏｅｖ_０に戻す処理を実行する。

【0070】

一方、上記ステップＳ１８０における判定が肯定的である場合、コントローラ８０はステップＳ２００の処理に移行する。

【0071】

ステップＳ２００において、コントローラ８０は、排気燃焼器１２への燃料供給を制限する。具体的に、コントローラ８０は、第２インジェクタ１８の開度を減少させるか、その開度を０に設定する。

【0072】

次に、ステップＳ２１０において、コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが第２スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ２以上であるか否かを判定する。これは、燃料電池スタック１０の暖機が完了している状態か否かの判定に相当する。

【0073】

この判定の結果が否定的である場合、コントローラ８０はステップＳ２２０の処理に移行する。

【0074】

ステップＳ２２０において、コントローラ８０は、第２暖機モードを実行する。

【0075】

具体的に、コントローラ８０は、第１インジェクタ１６を開放する。これにより、主燃料供給通路２２を介した原料処理器１４への原燃料の供給が開始される。したがって、原料処理器１４からの改質燃料が供給されるため、燃料電池スタック１０のアノード極内は還元雰囲気に維持されつつ、低効率の発電反応が進行する。一方、排気燃焼器１２において、燃料電池スタック１０から排出されるオフガスに残留する燃料成分が燃焼するので、当該燃焼により生じた熱により、燃料電池スタック１０が加熱されてその暖機が進行する。なお、コントローラ８０は、本第２暖機モードを、スタック温度Ｔｓが第２スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ２に達するまで継続する。

【0076】

一方、上記ステップＳ２１０における判定が肯定的である場合（燃料電池スタック１０の暖機が完了している場合）、コントローラ８０は本暖機運転モードを終了する。なお、本暖機運転モードが終了すると、コントローラ８０は燃料電池システム１００の通常運転モード（燃料電池スタック１０の通常発電モード）を開始する。

【0077】

次に、上記暖機運転モードにおける各装置の暖機の進行についてさらに詳細に説明する。

【0078】

図３は、本実施形態の暖機運転モードの進行を説明するタイミングチャートである。特に、図３（ａ）は排気バルブ開度Ｏｅｖの経時変化を示している。図３（ｂ）はスタック温度Ｔｓの経時変化を示している。図３（ｃ）は第１燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_１及び第２燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_２の経時変化を示している。そして、図３（ｅ）は主燃料流量Ｆ１の経時変化を示している。

【0079】

なお、説明の簡略化のため、本タイミングチャートにおいては図２のフローチャートにおけるステップＳ１５０以降の処理を示す。すなわち、本タイミングチャートおける基点の時刻ｔ０は、コントローラ８０が排気燃焼器１２への燃料供給を開始したタイミングに相当する。

【0080】

図示のように、時刻ｔ０～時刻ｔ１においては、第１暖機モードが実行される（ステップＳ１７０参照）。第１暖機モードでは、排気バルブ開度Ｏｅｖが初期排気バルブ開度Ｏｅｖ_０に固定されている。このため、この初期排気バルブ開度Ｏｅｖ_０に応じて定まる分流比γ１／２（図３（ｄ）参照）に基づいて、スタック温度Ｔｓ及び原料処理器温度Ｔｐが昇温する（図３（ａ）、図３（ｂ）、及び図３（ｃ）参照）。

【0081】

次に、原料処理器温度Ｔｐが目標原料処理器温度Ｔｐ_ｔ未満であって、スタック温度Ｔｓが第１スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ１以上となる時刻ｔ１～時刻ｔ２においては、分流比調節モードが実行される（ステップＳ１９０参照）。既に説明したように、スタック温度Ｔｓが酸化劣化温度Ｔｄを超えると、燃料電池スタック１０内のアノード極触媒の酸化劣化反応が発生する可能性がある。このため、本実施形態では、スタック温度Ｔｓが酸化劣化温度Ｔｄよりも低く設定された第１スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ１に到達すると、分流比γ１／２を増加させて燃料電池スタック１０の昇温速度を抑制している。

【0082】

特に、分流比調節モード中は、スタック温度Ｔｓが第１スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ１に維持されるように、排気バルブ開度Ｏｅｖを減少させる（図３（ａ）及び図３（ｂ）参照）。これにより、図３（ｄ）に示すように、第２燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_２が減少する一方で、第１燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_１が増加する（分流比γ１／２が増加する）。このため、スタック温度Ｔｓを酸化劣化温度Ｔｄよりも低い第１スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ１に維持しつつ、原料処理器１４に対する加熱量を増加させることができる。すなわち、燃料電池スタック１０の暖機の進行が制限されつつ、原料処理器１４の暖機の進行が促進される（図３（ｂ）及び図３（ｃ）参照）。

【0083】

次に、分流比調節モード中の時刻ｔ２において、原料処理器温度Ｔｐが目標原料処理器温度Ｔｐ_ｔに達すると、副燃料供給通路３０を介した排気燃焼器１２への燃料供給が制限されるとともに、主燃料供給通路２２を介した原料処理器１４への燃料供給が開始される（ステップＳ２００、及び図３（ｅ）参照）。すなわち、時刻ｔ２においては、原料処理器１４の暖機が終了しているので、原料処理器１４を介した燃料電池スタック１０への改質燃料の供給が開始されることとなる。

【0084】

そして、燃料電池スタック１０への燃料供給が開始された以降は、燃料電池スタック１０のアノード極内が燃料によって還元雰囲気に保たれることとなる。このため、スタック温度Ｔｓが酸化劣化温度Ｔｄを超えても、アノード極触媒の酸化反応の発生が抑制されることとなる。

【0085】

したがって、燃料電池スタック１０への燃料供給が開始される時刻ｔ２以降においては、燃料電池スタック１０の暖機速度を速めるべく、排気バルブ開度Ｏｅｖを増加させてこれを初期排気バルブ開度Ｏｅｖ_０に戻す操作が実行される（図３（ａ）の時刻ｔ２～時刻ｔ３参照）。

【0086】

なお、原料処理器１４への原燃料の供給が開始された時刻ｔ２の直後は、この低温の原燃料との熱交換によって原料処理器１４の保有熱が奪われることに起因し、原料処理器温度Ｔｐが一時的に低下する（図３（ｃ）の時刻ｔ２～時刻ｔ３参照）。

【0087】

そのため、排気バルブ開度Ｏｅｖを初期排気バルブ開度Ｏｅｖ_０に戻す操作を行う際には、この原料処理器温度Ｔｐの一時的な低下が生じても、当該原料処理器温度Ｔｐが再び目標原料処理器温度Ｔｐ_ｔを下回らない程度の熱量を原料処理器１４に与えられるように、排気バルブ開度Ｏｅｖの増加速度（変化率）を設定することが好ましい。これにより、排気バルブ開度Ｏｅｖを初期排気バルブ開度Ｏｅｖ_０に戻す制御において、原料処理器温度Ｔｐが目標原料処理器温度Ｔｐ_ｔを一時的に下回ることで、排気バルブ開度Ｏｅｖに設定される操作量が増減することが抑制される。

【0088】

次に、分流比調節モードが終了する時刻ｔ３以降は、スタック温度Ｔｓが第２スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ２に到達するまで第２暖機モードが実行される（ステップＳ２２０）。

【0089】

そして、スタック温度Ｔｓが第２スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ２に到達する時刻ｔ４以降は、コントローラ８０は、本実施形態の暖機運転モードは終了し、通常発電モード（要求発電電力に応じた出力で燃料電池スタック１０を発電させるモード）に移行する。

【0090】

以上説明した本実施形態の燃料電池システム制御方法は、以下の構成を備え、それによる作用効果を奏する。

【0091】

本実施形態の燃料電池システム制御方法は、燃料電池としての燃料電池スタック１０及び燃料電池スタック１０による発電が可能となるように原燃料を処理する原料処理器１４を備えた燃料電池システム１００において実行される。この燃料電池システム制御方法では、燃料電池スタック１０から排出されるオフガス（カソードオフガス、アノードオフガス、又はこれらの混合ガス）と原燃料を燃焼させて得られる燃焼排ガスを燃料電池スタック１０の加熱装置（特に空気熱交換器２０）及び原料処理器１４に分流することで、燃料電池スタック１０の暖機及び原料処理器１４の暖機が実行される。

【0092】

そして、この燃料電池システム制御方法では、燃料電池スタック１０の暖機度合及び原料処理器１４の暖機度合に基づいて、分流比γ１／２を調節する。

【0093】

なお、「暖機度合」という用語は、暖機が完了する状態に対する現在の暖機状態の進行の程度を意味する。

【0094】

これにより、燃料電池スタック１０及び原料処理器１４のそれぞれの暖機の進行に応じて分流比γ１／２を定め、生成される燃焼排ガスを空気熱交換器２０及び原料処理器１４にそれぞれ分配することができる。すなわち、燃料電池スタック１０及び原料処理器１４のそれぞれの暖機の進行に応じて、燃料電池スタック１０及び原料処理器１４にそれぞれ供給される熱量の比率を調節して、これらの暖機進行のバランスを所望の範囲に調節することができる。

【0095】

したがって、燃料電池スタック１０の暖機と原料処理器１４の暖機の進行度合が大きく異なることで生じ得る不具合（部品の耐熱及びアノード極触媒の酸化劣化）の発生を抑制することができる。

【0096】

特に、本実施形態の燃料電池システム制御方法を実行する燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガスを、燃料電池スタック１０から排出されるアノードオフガス及び原燃料の少なくとも一方と反応させて燃焼排ガスを生成する排気燃焼器１２と、原料処理器１４を介して燃料電池スタック１０に燃料を供給する第１燃料供給装置としての第１インジェクタ１６と、排気燃焼器１２に原燃料を供給する第２燃料供給装置としての第２インジェクタ１８と、燃料電池スタック１０に空気を供給する空気供給系としての空気供給通路３４に設けられ上記加熱装置として機能する空気加熱器としての空気熱交換器２０と、排気燃焼器１２から排出される燃焼排ガスを原料処理器１４に分流する第１排ガス分流路３２ａと、排気燃焼器１２から排出される燃焼排ガスを空気熱交換器２０に分流する第２排ガス分流路３２ｂと、第２排ガス分流路３２ｂに設けられた排ガス流量調節装置としての排気バルブ３６と、を備える（図１参照）。

【0097】

そして、本実施形態の燃料電池システム制御方法では、排気バルブ３６を操作することで、第２排ガス分流路３２ｂにおける燃焼排ガス流量としての第２燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_２を調節することで、分流比γ１／２を設定する。

【0098】

これにより、上述した空気熱交換器２０及び原料処理器１４への燃焼排ガスの分流を、第２排ガス分流路３２ｂに排気バルブ３６を設けるという簡易な構成で実現することができる。

【0099】

また、本実施形態の燃料電池システム制御方法では、原料処理器１４の暖機度合よりも燃料電池スタック１０の暖機度合が大きい場合に、第２排ガス分流路３２ｂの燃焼排ガス流量である第２燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_２を減少させるように、分流比γ１／２を調節する（図３（ａ）及び図３（ｄ）の時刻ｔ１～時刻ｔ２）。

【0100】

ここで、原料処理器１４の暖機度合よりも燃料電池スタック１０の暖機度合が大きい場合とは、現在の原料処理器１４の暖機の進行状態に対して許容される範囲（それぞれの暖機の進行度合が大きく異なることで生じ得る不具合をもたらさない範囲）を超えて、燃料電池スタック１０の暖機が進行している場合を意味する。

【0101】

特に、本実施形態では、原料処理器１４における原燃料の処理（特に、改質器１４ｃによる改質処理）が適切に実行できないにもかかわらず、スタック温度Ｔｓが酸化劣化温度Ｔｄに近づいているシーン（図３（ｂ）の時刻ｔ１～時刻ｔ２）に相当する。

【0102】

そして、本実施形態では、このようなシーンにおいて、分流比γ１／２を調節して第２燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_２を減少させつつ、第１燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_１を増加させる。これにより、燃料電池スタック１０の暖機の進行を抑制しつつ、原料処理器１４の暖機を促進して、燃料電池スタック１０に燃料供給を開始するタイミングを早めることができる。

【0103】

その結果、スタック温度Ｔｓが酸化劣化温度Ｔｄに到達する前に燃料電池スタック１０への燃料供給を開始して、燃料電池スタック１０のアノード極内をいち早く還元雰囲気に維持することができる。すなわち、燃料電池スタック１０を速やかに、アノード極触媒の酸化劣化反応が発生し難い状態にすることができ、燃料電池スタック１０の劣化を抑制することができる。

【0104】

特に、本実施形態では、燃料電池スタック１０の暖機度合をスタック温度Ｔｓに基づいて判断し、原料処理器１４の暖機度合を原料処理器温度Ｔｐに基づいて判断する（図２のステップＳ１６０、ステップ１８０、及びステップＳ２１０参照）。

【0105】

このため、燃料電池スタック１０及び原料処理器１４の暖機の進行状態を好適に把握し、それぞれの暖機の進行状態のバランスに応じた分流比γ１／２を設定することができる。

【0106】

なお、燃料電池スタック１０の暖機度合及び原料処理器１４の暖機度合を定量的に表すパラメータを演算し、当該パラメータに基づいてそれぞれの暖機度合を判定しても良い。

【0107】

例えば、燃料電池スタック１０の目標暖機温度（第１スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ１）に対する現在の燃料電池の温度（スタック温度Ｔｓ）の比に所定のゲインを乗じた値、又はこれらの差に所定のゲインを乗じた値をパラメータとして用いて、燃料電池スタック１０の暖機度合を判定しても良い。原料処理器１４の暖機度合の判定についても同様である。

【0108】

さらに、本実施形態では、スタック温度Ｔｓが第１目標暖機温度としての第１スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ１に到達すると、原料処理器１４の暖機が完了するまでスタック温度Ｔｓを維持するか又は温度上昇を抑制するように分流比γ１／２を調節する（図３（ｂ）及び図３（ｃ）の時刻ｔ１～時刻ｔ２）。

【0109】

これにより、燃料電池スタック１０の暖機度合が一定の段階まで進行した場合において、当該燃料電池スタック１０の暖機を実質的に中断しつつ、原料処理器１４の暖機を進行させることができる。したがって、原料処理器１４の暖機度合が、燃料電池スタック１０の暖機度合に対して小さい場合であっても、燃料電池スタック１０の暖機の進行を遅らせつつ原料処理器１４の暖機を促進させて、これらの暖機度合のバランスをより好適に調節することができる。

【0110】

特に、本実施形態では、第１スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ１が、燃料電池スタック１０のアノード極内の酸化劣化を生じ得る酸化劣化温度Ｔｄよりも低く設定される（図３（ｂ）参照）。

【0111】

これにより、スタック温度Ｔｓが酸化劣化温度Ｔｄに到達する前の段階において、燃料電池スタック１０の暖機の進行を抑制しつつ原料処理器１４の暖機を促進する制御モード（分流比調節モード）をより確実に実行することとなる。結果として、スタック温度Ｔｓが酸化劣化温度Ｔｄを超えているにもかかわらず、燃料電池スタック１０への燃料供給が開始されていない状況（アノード極内の酸化劣化が生じ得る状況）の発生をより確実に防止することができる。

【0112】

なお、本実施形態では、燃料電池スタック１０のカソード極の入口温度（空気極入口温度センサ１０１の検出値）又は出口温度（空気極出口温度センサ１０２）を、スタック温度Ｔｓとして取得している。これにより、現在のスタック温度Ｔｓを容易に把握することができる。

【0113】

本実施形態の燃料電池システム制御方法では、さらに、原料処理器１４の暖機が完了すると燃料電池スタック１０への燃料供給を開始する（図３（ｅ）の時刻ｔ２）。また、原料処理器１４の暖機が完了すると、スタック温度Ｔｓを燃料電池スタック１０の暖機を完了させるべき第２目標暖機温度（第２スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ２）に昇温させるように分流比γを調節する（図３（ａ）の時刻ｔ２以降）。

【0114】

これにより、原料処理器１４の暖機が完了して燃料電池スタック１０への燃料供給が開始された以降（アノード極触媒の酸化劣化反応が発生し難い状態となった後）も、燃料電池スタック１０の暖機を進行させことができる。

【0115】

特に、本実施形態では、原料処理器１４の暖機が完了すると、第２燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_２を増大させるべく、分流比γ１／２を初期排気バルブ開度Ｏｅｖ_０まで増加させる（図３（ａ）の時刻ｔ２～時刻ｔ３）。これにより、燃料電池スタック１０に対する加熱量が増大するので、スタック温度Ｔｓを速やかに第２スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ２に到達させることができる。

【0116】

また、本実施形態では、下記の構成の燃料電池システム１００が提供される。

【0117】

この燃料電池システム１００は、燃料電池としての燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０による発電が可能となるように原燃料を処理する原料処理器１４と、燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガスと、アノードオフガス及び原燃料の少なくとも一方と、を反応させて燃焼排ガスを発生させる排気燃焼器１２と、原料処理器１４を介して燃料電池スタック１０に燃料を供給する第１燃料供給装置としての第１インジェクタ１６と、排気燃焼器１２に原燃料を供給する第２燃料供給装置としての第２インジェクタ１８と、燃料電池スタック１０に空気を供給する空気供給系としての空気供給通路３４に設けられた空気加熱器としての空気熱交換器２０と、排気燃焼器１２から排出される燃焼排ガスを原料処理器１４に分流する第１排ガス分流路３２ａと、排気燃焼器１２から排出される燃焼排ガスを空気熱交換器２０に分流する第２排ガス分流路３２ｂと、第２排ガス分流路３２ｂに設けられた排ガス流量調節装置としての排気バルブ３６と、排気バルブ３６を操作する制御装置としてのコントローラ８０と、を備える。

【0118】

そして、コントローラ８０は、システム起動時（特に、図３における時刻ｔ０～時刻ｔ４）において、燃料電池スタック１０の暖機度合及び原料処理器１４の暖機度合に基づいて、排気バルブ３６を操作する。

【0119】

この構成により、本実施形態の燃料電池システム制御方法を好適に実行することができる。

【0120】

また、本実施形態の燃料電池システム１００において、原料処理器１４は、原燃料を気化させる蒸発器１４ａと、蒸発器１４ａからの気化燃料を改質する改質器１４ｃと、を含む。また、第１排ガス分流路３２ａは、上流から順に、改質器１４ｃ、及び蒸発器１４ａを通過して排気系４００に接続するように構成される。さらに、蒸発器１４ａと排気系４００の間の位置に燃焼排ガス温度センサ１０３が設けられる（図１参照）。

【0121】

そして、コントローラ８０は、燃焼排ガス温度センサ１０３の検出値（すなわち、原料処理器温度Ｔｐ）に基づいて原料処理器１４の暖機度合を判定する（図２のステップＳ１８０）。

【0122】

さらに、本実施形態では、燃料電池スタック１０の空気極入口（より詳細には、空気供給通路３４における空気極入口の近傍位置）に、空気温度センサとしての空気極入口温度センサ１０１が設けられている。また、燃料電池スタック１０の空気極出口（より詳細には、カソードオフガス通路２８における空気極出口の近傍位置）に、空気温度センサとしての空気極出口温度センサ１０２が設けられている。

【0123】

そして、コントローラ８０は、空気極入口温度センサ１０１の検出値及び空気極出口温度センサ１０２の検出値に基づいて燃料電池スタック１０の暖機度合を判定する（図２のステップＳ１８０及びステップＳ２１０）。

【0124】

これにより、コントローラ８０は、実際のスタック温度Ｔｓ及び原料処理器温度Ｔｐに比較的近い各温度センサの検出値を用いて、燃料電池スタック１０及び原料処理器１４の暖機度合を判定することができる。結果として、暖機度合に基づいて実行される排気バルブ３６を操作（分流比γ１／２）に係る制御をより高精度に実行することができる。

【0125】

なお、図１で示した蒸発器１４ａと排気系４００の間の位置に設けられた燃焼排ガス温度センサ１０３に代えて、又はこれとともに第１排ガス分流路３２ａの他の位置に設けても良い。

【0126】

図４Ａ及び図４Ｂにおいて、燃焼排ガス温度センサ１０３の設置位置の変形例を示す。特に、図４Ａには、第１排ガス分流路３２ａにおける改質器１４ｃと過加熱器１４ｂの間に燃焼排ガス温度センサ１０３を設けた例を示す。また、図４Ｂには、第１排ガス分流路３２ａにおける過加熱器１４ｂと蒸発器１４ａの間に燃焼排ガス温度センサ１０３を設けた例を示す。このように、燃焼排ガス温度センサ１０３の設置位置は、燃料電池システム１００の設計に応じて適宜変更が可能である。

【0127】

また、本実施形態における原料処理器１４は、上述した蒸発器１４ａ及び改質器１４ｃに加えて、第１排ガス分流路３２ａにおける改質器１４ｃと蒸発器１４ａの間に配置されて、蒸発器１４ａから改質器１４ｃへ送られる気化燃料をさらに加熱する過加熱器１４ｂをさらに有している。これにより、燃料をより確実にガス状態として改質器１４ｃへ供給することができる。

【0128】

一方、過加熱器１４ｂを省略しても良い。すなわち、図５に示す変形例のように、原料処理器１４が、過加熱器１４ｂを備えず、改質器１４ｃ及び蒸発器１４ａにより実現される構成を採用しても良い。

【0129】

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及び修正が可能である。

【0130】

例えば、上記実施形態では、暖機運転が開始された後に、原料処理器温度Ｔｐが目標原料処理器温度Ｔｐ_ｔに到達する前に、スタック温度Ｔｓが第１スタック目標暖機温度Ｔｓ_ｔ１に達する例について説明した。すなわち、原料処理器１４の暖機度合よりも燃料電池スタック１０の暖機度合が大きいシーンにフォーカスした例を説明した。しかしながら、本実施形態は、制御内容を若干変更して、燃料電池スタック１０及び原料処理器１４の各暖機度合のバランスが取れていない例に適用することも可能である。

【0131】

一例として、本実施形態の制御は、原料処理器１４の暖機度合よりも燃料電池スタック１０の暖機度合が小さい場合、例えば、原料処理器１４の暖機進行に対して当該原料処理器１４の耐熱性の観点から許容される範囲よりも燃料電池スタック１０の暖機進行が遅れている場合にも適用することができる。

【0132】

すなわち、この場合、第１燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_１を減少させつつ第２燃焼排ガス流量Ｑｅｘ_２を増加させるように（分流比γ１／２を減少させるように）、排気バルブ開度Ｏｅｖを調節する。これにより、原料処理器１４の暖機進行を抑制しつつ燃料電池スタック１０の暖機進行を促進して、原料処理器１４に対する加熱量が過剰となることを抑制し、当該原料処理器１４の構成部品又はその周辺部品に対する耐熱保護を図ることができる。

【0133】

また、上記実施形態では、排気バルブ３６を第２排ガス分流路３２ｂにのみ設ける例を説明した。しかしながら、排気バルブ３６の設置態様はこれに限られるものではない。

【0134】

例えば、図６に示すように、第１排ガス分流路３２ａにおける原料処理器１４と合流部Ｊ２の間に排気バルブ３６を設ける構成を採用しても良い。なお、図６に示す態様の場合、排気バルブ３６の開度を増加させると分流比γ１／２（空気熱交換器２０へ流れる燃焼排ガスの流量）が減少し、当該開度を減少させると分流比γ１／２が増大する。すなわち、図６に示す変形例では、上記実施形態に対して、排気バルブ３６の開度の増減と分流比γ１／２の増減との対応関係が逆になる。

【0135】

さらに、図７に示すように、第１排ガス分流路３２ａ及び第２排ガス分流路３２ｂの双方に、それぞれ、排気バルブ３６－１及び排気バルブ３６－２を設ける構成を採用しても良い。

【0136】

また、第１排ガス分流路３２ａ又は第２排ガス分流路３２ｂにおいて排気バルブ３６を設ける位置も、分流比γ１／２を調節可能な範囲で任意に変更可能である。例えば、第１排ガス分流路３２ａにおける合流部Ｊ１と改質器１４ｃの間の位置に排気バルブ３６を設けても良い。さらに、第２排ガス分流路３２ｂにおける合流部Ｊ１と空気熱交換器２０の間の位置に排気バルブ３６を設けても良い。

【符号の説明】

【0137】

１０ 燃料電池スタック
１２ 排気燃焼器
１４ 原料処理器
１６ 第１インジェクタ
１８ 第２インジェクタ
２０ 空気熱交換器
３２ 燃焼排ガス通路
３２ａ 第１排ガス分流路
３２ｂ 第２排ガス分流路
３６ 排気バルブ
８０ コントローラ
１００ 燃料電池システム
１０１ 空気極入口温度センサ
１０２ 空気極出口温度センサ
１０３ 燃焼排ガス温度センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】