CN111164812B - 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

提供一种燃料电池系统，具备：燃料电池；燃料处理部，其用于对原燃料进行处理，来生成燃料电池的燃料气体；氧化剂气体加热部，其用于对燃料电池的氧化剂气体进行加热；燃烧器，其用于使原燃料燃烧，来生成用于对燃料处理部和氧化剂气体加热部进行加热的燃烧气体；供给控制部，其在燃料电池的暖机时，控制针对燃料处理部和燃烧器的原燃料的供给；以及发电控制部，其控制燃料电池的暖机时的发电状态。在燃料电池达到了其可发电温度的情况下，通过发电控制部使燃料电池进行发电，通过供给控制部向燃料处理部和燃烧器双方供给原燃料。

Description

燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种具备燃烧器以用于燃料电池的暖机的燃料电池系统及其控制方法。

背景技术

JP2016-154067中公开了如下内容：在燃料电池系统启动时，将原燃料的供给目的地在启动用燃烧器与重整器之间进行切换(第0032、0033段)。具体地说，设置用于向启动用燃烧器供给重整前的燃料即原燃料的第一燃料供给流路以及用于向重整器供给原燃料的第二燃料供给流路，在重整器的温度低于可重整温度的期间，通过第一燃料供给流路向启动用燃烧器供给原燃料，并利用燃烧气体的热量来对燃料电池进行加热，另一方面，在重整器的温度达到可重整温度之后，通过第二燃料供给流路向重整器供给原燃料，并利用通过发电而产生的热量来实现燃料电池的进一步升温。

发明内容

在具备固体氧化物型燃料电池等动作温度高的燃料电池的系统中，在启动时，需要产生相比于低温动作型的燃料电池而言更大的热量以进行燃料电池的暖机。在此，在想要缩短燃料电池的暖机所需的时间的情况下，需要使原燃料的供给流量增大。对此，如果仅单纯地将原燃料的供给目的地在启动用燃烧器与重整器之间进行切换，则为了应对燃料流量的增大，需要进行不仅以针对启动用燃烧器的启动时的燃料流量为前提、而且也以针对重整器的启动时的燃料流量为前提的设计，在提高系统整体的效率上是不利的。

并且，在JP2016-154067中，完全没有提及变为能够利用燃料电池进行发电之后的控制。

本发明的目的在于提供一种考虑到以上问题的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。

在本发明的一个方式中提供一种燃料电池系统。本方式所涉及的燃料电池系统具备：燃料电池；燃料处理部，其用于对原燃料进行处理，来生成燃料电池的燃料气体；氧化剂气体加热部，其用于对燃料电池的氧化剂气体进行加热；燃烧器，其用于使原燃料燃烧，来生成用于对燃料处理部和氧化剂气体加热部进行加热的燃烧气体；供给控制部，其在燃料电池的暖机时，控制针对燃料处理部和燃烧器的原燃料的供给；以及发电控制部，其控制燃料电池的暖机时的发电状态。而且，在燃料电池达到了其可发电温度的情况下，通过发电控制部使燃料电池进行发电，通过供给控制部向燃料处理部和燃烧器双方供给原燃料。

附图说明

图1是概念性地示出本发明的一个实施方式所涉及的燃料电池系统的结构的说明图。

图2是示出上述燃料电池系统的具体结构的说明图。

图3是示出上述燃料电池系统的启动控制的流程的流程图。

图4是示出发电加热模式下的处理的流程的流程图。

图5是示出燃料电池堆的电流与电压之间的同温度相应的关系的说明图。

图6是示出燃料电池堆的电流与发热量之间的关系的说明图。

图7是示出燃料电池堆的温度与目标发电量之间的关系的说明图。

图8是示出系统停止时及发电时的主燃料流量与副燃料流量之间的关系的说明图。

图9是示出燃料电池堆的发电量与主燃料流量之间的关系的说明图。

图10是启动控制的动作说明图(PRD1)。

图11是启动控制的动作说明图(PRD4)。

图12是启动后的通常时的控制的动作说明图。

图13是示出启动控制中的燃烧器温度T_cmb、堆温度T_stk及燃料流量m_fuel(主燃料流量m_{fuel_m}、副燃料流量m_{fuel_s})的变化的时间图。

图14是示出本发明的其它实施方式所涉及的燃料电池系统的启动控制的流程的流程图。

图15是示出燃料电池堆的温度与目标燃烧器温度之间的关系的说明图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的实施方式。

(燃料电池系统的整体结构)

图1概念性地示出本发明的一个实施方式所涉及的燃料电池系统S的结构。

本实施方式所涉及的燃料电池系统(以下称为“燃料电池系统”，有时仅称为“系统”)S具备燃料电池堆1、燃料处理部2、氧化剂气体加热部3、燃烧器4以及控制部5。

燃料电池堆(以下有时仅称为“堆”)1是将多个燃料电池或燃料电池单位单元层叠而构成的，作为发电源的各个燃料电池例如是固体氧化物型燃料电池(SOFC)。燃料电池堆1在阳极(anode)系统中具备用于向燃料电池的阳极供给燃料气体的阳极气体通路11以及用于流通从阳极排出的发电反应后的阳极排气的阳极排气通路11exh(在图1中未图示)，另一方面，在阴极(cathode)系统中具备用于向燃料电池的阴极供给氧化剂气体的阴极气体通路12以及用于流通从阴极排出的发电反应后的阴极排气的阴极排气通路12exh(未图示)。

燃料处理部2用于对作为一次燃料的原燃料进行处理，来生成燃料电池中的发电反应中使用的燃料气体。燃料处理部2被插入安装于阳极气体通路11，接受原燃料的供给(箭头A1)。

氧化剂气体加热部3用于对氧化剂气体进行加热。氧化剂气体加热部3被插入安装于阴极气体通路12，接受氧化剂气体的供给(箭头B)。氧化剂气体例如是空气，能够通过向燃料电池的阴极供给大气中的空气来向阴极供给发电反应中使用的氧。氧化剂气体或空气从大气向阴极气体通路12的吸入例如是由设置于阴极气体通路12的开放端附近的空气压缩机或鼓风机等空气吸入单元6进行的。

在此，固体氧化物型燃料电池的阳极和阴极处的与发电有关的反应能够通过下面的式子表示。

阳极：2H₂+4O^2-→2H₂O+4e^-…(1.1)

阴极：O₂+4e^-→2O^2-…(1.2)

燃烧器4用于使燃料电池的原燃料燃烧，来生成燃烧气体。燃烧器4接受原燃料的供给(箭头A2)，并且接受原燃料的氧化剂的供给(箭头C)。通过燃烧而产生的热量被供给到燃料处理部2和氧化剂气体加热部3，从而被用于原燃料和氧化剂气体的加热。图1通过粗的虚线示出了热量从燃烧器4向燃料处理部2和氧化剂气体加热部3的移动。在本实施方式中，不将燃料电池堆1本身作为利用燃烧气体直接加热的对象，但不限于此，还能够构成为：将燃烧器4和燃料电池堆1收容在共用的隔热壳体中等，燃烧气体的热量直接传递到燃料电池堆1。

控制部5控制针对燃料处理部2和燃烧器4的原燃料的供给，能够构成为包括电子控制单元。在本实施方式中，控制部5具备构成为电子控制单元的控制器51、用于向燃料处理部2供给原燃料的主燃料供给单元52以及用于向燃烧器4供给原燃料的副燃料供给单元53。燃料供给单元52及53可以均为喷射器，在本实施方式中，具备第一燃料喷射器来作为主燃料供给单元52，具备第二燃料喷射器来作为副燃料供给单元53。第一燃料喷射器52和第二燃料喷射器53根据来自控制器51的指令信号来进行工作，能够对燃料处理部2和燃烧器4连续或间歇地供给原燃料。

控制器51在燃料电池系统S启动时判定燃料电池堆1或燃料电池是否处于可发电的状态。该判定例如能够基于燃料电池堆1的温度来进行。在燃料电池堆1处于可发电的状态的情况下，控制器51通过第一燃料喷射器52向燃料处理部2供给原燃料，并且通过第二燃料喷射器53向燃烧器4供给原燃料。也就是说，在启动开始之后燃料电池堆1的温度上升从而达到可发电的状态的情况下，开始利用燃料电池堆1进行发电，向燃料处理部2和燃烧器4双方供给原燃料。由此，能够利用通过发电而产生的热量来对燃料电池堆1进行加热，并且还以利用燃烧器4生成的燃烧气体为热源来促进燃料电池堆1的暖机。

控制部5构成本实施方式所涉及的“供给控制部”和“发电控制部”。

图2示出了燃料电池系统S的具体结构。

燃料电池系统S具备固体氧化物型燃料电池(SOFC)来作为发电源，并具备能够搭载在车上的燃料罐7。在本实施方式中，作为一次燃料的原燃料是含氧燃料(例如，乙醇)与水的混合物，被贮存在燃料罐7中。燃料罐7与燃料电池堆1经由阳极气体通路11进行连接，在阳极气体通路11上，从流动的方向上的上游侧起依次插入安装有蒸发器21、燃料热交换器22以及重整器23。另一方面，在蒸发器21的上游侧，从阳极气体通路11分支出分支燃料通路11sub，分支燃料通路11sub连接于燃烧器41。在阳极气体通路11上的分支燃料通路11sub的分支点与蒸发器21之间的位置插入安装有第一燃料喷射器52，在分支燃料通路11sub上插入安装有第二燃料喷射器53。由此，能够将原燃料的流通在阳极气体通路11与分支燃料通路11sub之间进行切换，另一方面，还能够使原燃料经由这些通路11、11sub双方地流动。蒸发器21、燃料热交换器22以及重整器23构成本实施方式所涉及的“燃料处理部”。

蒸发器21从燃料罐7接受作为原燃料的乙醇水溶液的供给，并对该乙醇水溶液进行加热，来使乙醇和水都蒸发，从而生成乙醇气体和水蒸气。

燃料热交换器22从燃烧器41接受燃烧气体的热量，来对乙醇气体和水蒸气进行加热。

重整器23内置重整用催化剂，从处于气体状态的乙醇通过水蒸气重整来生成氢。水蒸气重整能够通过下面的式子表示。水蒸气重整是吸热反应，在重整时需要从外部供给热量。在本实施方式中，如后所述，在重整期间也利用燃烧器41使阳极排气中的残留燃料燃烧，并将燃烧气体的热量供给到重整器23。在本实施方式中，燃料电池的燃料气体是通过对乙醇进行重整而产生的氢与二氧化碳的混合气体。

C₂H₅OH+3H₂O→6H₂+2CO₂…(2)

氧化剂气体加热部3由空气热交换器31构成，通过与从燃烧器41经过燃烧气体通路42供给的燃烧气体之间的热交换，来对阴极气体通路12中流过的氧化剂气体进行加热。在本实施方式中，在阴极气体通路12的开放端附近设置有空气压缩机61，大气中的空气作为氧化剂气体通过空气压缩机61被吸入到阴极气体通路12。被吸入的空气在通过空气热交换器31时从常温(例如25℃)升温，之后被供给到燃料电池堆1。

燃烧器41内置燃烧用催化剂，通过分支燃料通路11sub接受作为原燃料的乙醇水溶液的供给，通过乙醇的催化燃烧来生成燃烧气体。在本实施方式中，构成为：燃烧器41与蒸发器21经由燃烧气体通路42进行连接，另一方面，燃料热交换器22和重整器23被收容在与燃烧器41共用的隔热壳体中(用双点划线L表示)，燃烧气体的热量在该共用的壳体L的内部传递到燃料热交换器22和重整器23。

在本实施方式中，燃烧器41与从燃料电池堆1延伸出的阳极排气通路11exh及阴极排气通路12exh这双方连接，在燃料电池系统S启动时，能够经由阴极排气通路12exh向燃烧器41供给氧化剂气体。并且，在原燃料的重整时，能够向燃烧器41供给阳极排气和阴极排气，使阳极排气中的残留燃料(乙醇)与残留在阴极排气中的氧在催化剂上发生反应，通过所产生的热量来对蒸发器21、燃料热交换器22以及重整器23进行加热。

燃料电池堆1的发电电力能够用于对蓄电池进行充电，或者用于驱动电动马达或电动发电机等外部装置。例如，燃料电池系统S能够应用于车辆用的驱动系统，对蓄电池充入通过燃料电池堆1的额定运转而产生的电力，从蓄电池向行驶用的电动发电机供给与车辆的目标驱动力相应的电力。

(控制系统的结构)

第一燃料喷射器52、第二燃料喷射器53以及空气压缩机61由控制器51来控制，除此以外，燃料电池系统S的运转所需的其它各种装置或部件的动作由控制器51来控制。在本实施方式中，控制器51被构成为包括微计算机的电子控制单元，该微计算机具备中央运算电路、ROM及RAM等各种存储装置、输入输出接口等。

控制器51在通常的运转时(以下仅称为“通常时”)设定燃料电池堆1的额定运转所需的原燃料的供给流量(以下称为“通常时供给流量”)，并通过第一燃料喷射器52向燃料电池堆1供给通常时供给流量的原燃料。在此，通常时是指燃料电池堆1的暖机完成之后的运转时，燃料电池堆1的额定运转是指燃料电池堆1在最大发电输出下的运转。

另一方面，控制器51当基于来自启动开关106的信号探测到燃料电池系统S的启动要求的产生时，执行进行燃料电池堆1的暖机的启动控制。燃料电池堆1的暖机是指使在停止期间处于低温(例如，常温)的燃料电池堆1升温至其动作温度。固体氧化物型燃料电池的动作温度为800℃～1000℃左右。

控制器51被输入来自用于检测堆温度T_stk的堆温度传感器101的信号、来自用于检测空气流量m_air的空气流量传感器102的信号、来自用于检测氧化剂气体温度T_cth的氧化剂气体温度传感器103的信号、来自用于检测重整器温度T_ref的重整器温度传感器104的信号、来自用于检测燃烧器温度T_cmb的燃烧器温度传感器105的信号等，来作为与启动控制有关的信息。

堆温度T_stk是表示燃料电池堆1或燃料电池的温度的指标，在本实施方式中，在燃料电池堆1的阴极排气出口附近设置堆温度传感器101，将由堆温度传感器101检测出的温度设为堆温度T_stk。

空气流量m_air是向燃料电池堆1供给的氧化剂气体的流量。在本实施方式中，在阴极气体通路12上、具体地说是在空气压缩机61与空气热交换器31之间设置空气流量传感器102，将由空气流量传感器102检测出的流量设为空气流量m_air。

氧化剂气体温度T_cth是作为与燃料电池堆1的入口温度具有相关性的温度而被采用的，在本实施方式中，在燃料电池堆1的氧化剂气体入口附近设置氧化剂气体温度传感器103，将由氧化剂气体温度传感器103检测出的温度设为氧化剂气体温度T_cth。

重整器温度T_ref是表示重整器23所具备的催化剂的温度的指标，在本实施方式中，在阳极气体通路11上的重整器23的下游侧的位置设置重整器温度传感器104，将由重整器温度传感器104检测出的温度、换言之是通过重整而生成的燃料气体的温度设为重整器温度T_ref。

燃烧器温度T_cmb是利用燃烧器4生成的燃烧气体的温度，在本实施方式中，在燃烧气体通路42的燃烧器41与空气热交换器31之间的位置设置燃烧器温度传感器105，将由燃烧器温度传感器105检测出的温度设为燃烧器温度T_cmb。

下面，参照流程图来具体说明燃料电池系统S的启动控制。

(启动控制的说明)

图3是示出本实施方式所涉及的燃料电池系统S的启动控制的流程的流程图。

以如下方式对控制器51进行了编程：当根据驾驶员对启动开关106的操作而从启动开关106输入了启动要求信号时，控制器51按照图3所示的流程图来执行燃料电池系统S的启动控制。在本实施方式中，控制器51根据启动要求信号的输入来开始进行启动控制，根据判定为燃料电池堆1或燃料电池的暖机已完成来结束启动控制。

在S101中，使空气压缩机61工作。由此，大气中的空气被吸入到阴极气体通路12，并经由空气热交换器31被供给到燃料电池堆1的阴极。

在S102中，读入堆温度T_stk、空气流量m_air以及氧化剂气体温度T_cth来作为与启动控制有关的信息。

在S103中，判定燃料电池堆1是否处于可发电的状态。具体地说，在启动控制开始之后，判定是否堆温度T_stk上升从而达到了燃料电池堆1的可发电的下限温度(以下称为“发电开始温度”)T1。在堆温度T_stk达到了发电开始温度T1的情况下，进入S104，在堆温度T_stk未达到发电开始温度T1的情况下，进入S105。发电开始温度T1例如为500℃。

在S104中，选择发电加热模式来作为暖机时的动作模式，并执行发电加热模式。发电加热模式是主要利用通过燃料电池堆1的发电而产生的热量的动作模式。在发电加热模式下，控制器51对被插入安装于燃料电池堆1与蓄电池或辅机之间的电力变换装置201(图2)进行控制，执行来自燃料电池堆1的输出。在此，作为辅机，能够例示空气压缩机61。

在S105中，选择燃烧加热模式来作为暖机时的动作模式，并执行燃烧加热模式。燃烧加热模式是主要利用通过燃烧器41中的燃烧而产生的热量的动作模式。

在S106中，判定燃料电池堆1的暖机是否已完成。具体地说，判定堆温度T_stk是否达到了用于判定暖机完成的规定温度T_wup。在堆温度T_stk达到了规定温度T_wup的情况下，认为燃料电池堆1的暖机已完成，结束启动控制，转移到通常时的控制。在通常时，使燃料电池堆1以额定输出进行运转。在堆温度T_stk没有达到规定温度T_wup的情况下，返回到S102，继续使空气压缩机61工作，另一方面，重复执行S102～105的处理。

图4是示出发电加热模式(图3的S104)下的处理的流程的流程图。

在S201中，计算燃烧器41的目标温度(以下称为“目标燃烧器温度”)T_{cmb_trg}。目标燃烧器温度T_{cmb_trg}是由燃烧器41生成的燃烧气体的目标温度，基于堆温度T_stk来计算目标燃烧器温度T_{cmb_trg}。具体地说，作为赋予被允许流入燃料电池堆1的氧化剂气体的最高温度的燃烧气体的目标温度，通过下面的式子，对燃料电池堆1的阴极排气出口附近的温度即堆温度T_stk加上温度差ΔT_{stk_set}和ΔT_{ahx_set}，来计算该燃烧气体的目标温度。在此，温度差ΔT_{stk_set}为燃料电池堆1的氧化剂气体入口部与阴极排气出口部之间的温度差(以下称为“堆入口出口温度差”)的设定值，温度差ΔT_{ahx_set}为空气热交换器31的燃烧气体入口部与氧化剂气体出口部之间的温度差的设定值。温度差ΔT_{stk_set}是从对燃料电池的热负荷的观点来看容许的温度差(例如，300℃)，温度差ΔT_{ahx_set}是在燃料电池堆1的额定运转时由空气热交换器31赋予的温度差(例如，150℃)。

T_{cmb trg}＝T_stk+ΔT_{stk set}+ΔT_{ahx set}…(3)

在S202中，计算燃料电池堆1的目标发电量(以下称为“目标堆发电量”)P_{stk_trg}。目标堆发电量P_{stk_trg}被设定为燃料电池堆1能够与其温度相应地输出的最大发电量，该目标堆发电量P_{stk_trg}的计算例如是通过从图7所示的倾向的表数据中的检索来进行的。堆温度T_stk越高时，则目标堆发电量P_{stk_trg}被设定为越大的值。

关于目标堆发电量P_{stk_trg}的设定进行附言。图5示出燃料电池堆1的电流电压特性。用细的实线L1表示低温时的特性，用粗的实线Lh表示高温时或通常时的特性。随着温度的上升，燃料电池堆1的特性恢复，可发电的下限电压V_min下的电流I_stk也增大。图6示出燃料电池堆1的电流I_stk与发热量H_stk之间的关系。堆发热量H_stk具有如下倾向：电流I_stk越大，换言之，电压V_stk越少，则堆发热量H_stk越多。因而，堆发热量H_stk在使燃料电池堆1以下限电压V_min进行发电的情况下最大。根据图5和6所示的倾向，能够得到图7所示的关系。

在S203中，判定堆入口出口温度差ΔT_stk是否为规定值ΔT1以下。通过从氧化剂气体温度T_cth减去堆温度T_stk来计算堆入口出口温度差ΔT_stk(ΔT_stk＝T_cth-T_stk)。在堆入口出口温度差ΔT_stk为规定值ΔT1以下的情况下，进入S204，在堆入口出口温度差ΔT_stk超过规定值ΔT1的情况下，进入S205。规定值ΔT1例如为温度差的容许上限值ΔT_{stk_set}(例如，300℃)。

在S204中，将通过第一燃料喷射器52供给的原燃料的流量(以下称为“主燃料流量”)m_{fuel m}设定为最小主燃料流量m_{fuel_min}。关于最小主燃料流量m_{fuel min}，能够通过实验等适当地预先设定为能够抑制与原燃料的供给流量的降低相对地在燃料电池堆1中产生的劣化的下限值。在此，作为应考虑的劣化，能够例示由于燃料气体的不足而产生的电极的劣化(称作“燃料饥饿”)。通过最小主燃料流量m_{fuel_min}的设定，使在暖机时向燃料处理部2供给的原燃料的流量在向系统整体供给的原燃料的流量(以下称为“原燃料总流量”)m_{fuel_ttl}中所占的比率最小，换言之，使向燃烧器41供给的原燃料的流量在原燃料总流量m_{fuel_ttl}中所占的比率最大。

图8针对系统停止时(发电开始前)和发电时分别示出主燃料流量m_{fuel_m}与副燃料流量m_{fuel_s}之间的关系。如图8所示，在发电时，为了补充发电所消耗的消耗量，需要使原燃料总流量m_{fuel_ttl}相比于系统停止前的原燃料总流量而言增大。而且，能够在表示发电时的粗的实线上决定最小主燃料流量m_{fuel_min}和接下来叙述的最大主燃料流量m_{fuel_max}。在本实施方式中，将最小主燃料流量m_{fuel_min}设为固定值。

在S205中，将主燃料流量m_{fuel_m}设定为最大主燃料流量m_{fuel_max}。关于最大主燃料流量m_{fuel_max}，能够通过实验等适当地预先设定为能够抑制由于燃料的过剩供给而在燃料电池堆1或燃烧器41中产生的不利影响的上限值，在本实施方式中，通过从图9所示的倾向的表数据中的检索，堆发电量P_stk越高时，则最大主燃料流量m_{fuel_max}被设定为越大的值。通过最大主燃料流量m_{fuel_max}的设定，使向燃料处理部2供给的原燃料的流量在原燃料总流量m_{fuel_ttl}中所占的比率最大。

在S206中，计算燃料气体所具有的热量中的利用流过燃料处理部2的阳极气体回收的回收量(以下称为“排热回收量”)Q_rec。排热回收量Q_rec大致具有随着主燃料流量m_{fuel_m}的增大而增加的倾向，因此能够作为主燃料流量m_{fuel_m}的函数来计算该排热回收量Q_rec。不限于此，排热回收量Q_rec也可以被设定为固定值。

在S207中，计算原燃料总流量m_{fuel_ttl}。原燃料总流量m_{fuel_ttl}的计算通过下面的式子进行。下面的式子基本上表示：将通过经过第一燃料喷射器52、第二燃料喷射器53进行的原燃料的供给而带来的热量作为输入的系统整体中的热收支均衡。

m_{fuel ttl}＝A/B…(4.1)

A＝m_air×{h_air(T_cmb)-h_air(T_stk)}+m_h2c×{h_h2(T_stk)-h_h2o(T_stk)}-Q_rec…(4.2)

B＝(1/5)×h_c2h5ohl(T_fueL)+(4/5)×h_h2ol(T_fuel)-(2/5)×h_co2(T_cmb)-(7/5)×h_h2o(T_cmb)+(3/5)×h_o2(T_cmb)…(4.3)

在此，以乙醇水溶液为原燃料，将乙醇水溶液中的乙醇与水的混合比设为若换算为摩尔比则为1∶4。并且，将原燃料的温度设为25℃(T_fuel＝25)。

当分别表示上式(4.1)～(4.3)中的变量时，如下。

m_{fuel_ttl}：原燃料总流量(摩尔比换算值)

m_air：空气的摩尔流量

m_h2c：由发电消耗的氢消耗量

Q_rec：阳极气体的排热回收量

T_stk：燃料电池堆的出口温度

T_cmb：燃烧气体的温度

T_fuel：原燃料的温度

h_air(T)：空气的焓

h_c2h5ohl(T)：乙醇(液体)的焓

h_h2ol(T)：水(液体)的焓

h_co2(T)：二氧化碳的焓

h_h2o(T)：水(气体)的焓

h_o2(T)：氧的焓

能够考虑燃料电池堆1的内部的物质移动量(具体地说，与发电相伴的在电极间的氧移动量2m_h2c×h_o2(T_stk))，来如下面那样表示上式(4.2)。

A＝m_air×{h_air(T_cmb)-h_air(T_stk)}-2m_h2c×h_o2(T_stk)+{2m_h2c×h_o2(T_stk)-Q_rec-Q_stk}-P…(4.2a)

Q_stk：燃料电池堆1的内部的阳极气体的热量变化量

P：发电量

作为热量变化量Q_stk，能够例示因燃料电池堆1的发电引起的阳极气体的受热量以及因内部重整引起的吸热量。

根据上式(4.1)、(4.2a)以及(4.3)来计算原燃料总流量m_{fuel_ttl}。

在此，在计算原燃料总流量m_{fuel_ttl}时，也可以考虑下面的关系。下面的式子表示在燃料电池堆1的输入输出之间阳极气体的热收支均衡。能够通过下面的式子来对表示燃料电池堆1的内部的阳极气体的热量的变化量的、上式(4.2a)的右边第三项和第四项({2m_h2c×h_o2(T_stk)-Q_rec-Q_stk}-P)进行近似。

C＝D…(5.1)

C＝m_{fuel m}×{(1/5)×h_c2h5ohl(T_fuel)+(4/5)×h_h2ol(T_fuel)}+{2m_h2c×h_o2(T_stk)-Q_rec-Q_stk}-P…(5.2)

D＝m_{fuel m}×{F_h2(T_stk、m_h2c)×h_h2(T_stk)+F_ch4(T_stk、m_h2c)×h_ch4(T_stk)+F_co(T_stk、m_h2c)×h_co(T_stk)+F_co2(T_stk、m_h2c)×h_co2(T_stk)+F_h2o(T_stk、m_h2c)×h_h2o(T_stk)}…(5.3)

F：每1mol乙醇的燃料气体的组成

F(T、m_h2c)：考虑了燃料电池堆的内部的物质移动量的燃料气体的组成

在S208中，计算通过第二燃料喷射器53供给的原燃料的流量(以下称为“副燃料流量”)m_{fuel_s}。具体地说，通过从原燃料总流量m_{fuel_ttl}减去主燃料流量m_{fuel_m}(m_{fuel_s}＝m_{fuel_ttl}-m_{fuel_m})来计算。

控制器51设定与主燃料流量m_{fuel_m}及副燃料流量m_{fuel_s}相应的指令信号，并将该指令信号输出到第一燃料喷射器52、第二燃料喷射器53的驱动电路。

在本实施方式中，控制器51、第一燃料喷射器52以及第二燃料喷射器53构成“供给控制部”，控制器51构成“发电控制部”。具体地说，“发电控制部”的功能被具体化为图3所示的流程图的S104的处理(电力变换装置的控制)，“供给控制部”的功能被具体化为图3所示的流程图的S102～104和图4所示的整个流程图的处理。而且，“暖机时目标流量设定部”的功能被具体化为图3所示的流程图的S102和图4所示的流程图的S201～207的处理，“目标燃烧气体温度设定部”的功能被具体化为图4所示的流程图的S201的处理，“燃料电池温度检测部”的功能被具体化为图3所示的S102的处理。并且，执行图4所示的流程图的S204所示的处理时相当于“第二供给模式”，执行S205所示的处理时相当于“第一供给模式”。

(燃料电池系统的动作说明)

图10～12示出燃料电池系统S的启动时的动作。

图10示出启动时(燃料电池堆1的发电开始前)的动作，图11示出启动时的发电开始之后的动作，图12示出启动后的通常时的动作。在图10～12中，用粗的实线表示实际有气体流通的通路，用细的虚线表示气体的流通停止的通路。

图13用时间图示出燃料电池系统S的启动时(PRD1～PRD4)的动作，该图的上部示出燃烧器温度T_cmb、重整器温度T_ref及堆温度T_stk的变化，该图的下部示出燃料流量m_fuel的变化。在下部的时间图中，用实线表示主燃料流量m_{fuel_m}，用虚线表示副燃料流量m_{fuel_s}。期间PRD1表示重整器23不处于可重整的状态的期间，期间PRD2～PRD4表示重整器23处于可重整的状态的期间。而且，期间PRD1～PRD3表示燃料电池堆1不处于可发电的状态的期间，期间PRD4表示燃料电池堆1处于可发电的状态的期间。

适当地参照图13来说明本实施方式所涉及的启动控制。

通过整个启动控制，燃烧器41的温度(燃烧器温度T_cmb)被限制为燃烧器上限温度T_{cmb_max}以下。燃烧器温度T_cmb的制限例如是通过如下方式进行的：将通过图4所示的S201的处理设定的目标燃烧器温度T_{cmb_trg}限制为燃烧器上限温度T_{cmb_max}以下。作为燃烧器上限温度T_{cmb_max}，能够例示能够抑制燃烧器41所具备的催化剂(例如，氧化催化剂)的劣化的上限温度。

在启动控制开始之后，在重整器温度T_ref未达到重整器下限温度T_{ref_min}的期间PRD1，停止通过第一燃料喷射器52供给原燃料，而通过第二燃料喷射器53向燃烧器41供给燃料电池堆1的暖机所需的原燃料(图10)。利用通过原燃料的燃烧而产生的热量来对燃料热交换器22和重整器23进行加热，并且将燃烧气体经由燃烧气体通路42供给到空气热交换器31和蒸发器21。针对被空气压缩机61取入到阴极气体通路12的空气，通过在空气热交换器31中与燃烧气体的热交换来进行加热，将加热后的空气供给到燃料电池堆1，由此对燃料电池堆1进行加热。由此，进行燃料电池堆1的暖机，从而堆温度T_stk上升(图13)。从燃料电池堆1排出的阴极排气(氧化剂气体)经由阴极排气通路12exh被引导至燃烧器41，阴极排气中的残留氧被用作原燃料的氧化剂。

当重整器温度T_ref达到重整器下限温度T_{ref_min}时(时刻t1)，开始通过第一燃料喷射器52供给原燃料。在与堆温度T_stk相应的原燃料总流量m_{fuel_ttl}大于额定流量m_{fuel_rtd}的期间PRD2(图13)，通过第一燃料喷射器52向重整器23供给额定流量m_{fuel_rtd}的原燃料，另一方面，通过第二燃料喷射器53向燃烧器41供给额定流量m_{fuel_rtd}与原燃料总流量m_{fuel_ttl}相差的量(＝m_{fuel_ttl}-m_{fuel_rtd})的原燃料。

然后，当重整器温度T_ref进一步上升、原燃料总流量m_{fuel_ttl}低于额定流量m_{fuel_rtd}时(时刻t2)，停止通过第二燃料喷射器53供给原燃料，而通过第一燃料喷射器52向重整器23供给原燃料总流量m_{fuel_ttl}的原燃料(图13，期间PRD3)。

之后，当堆温度T_stk达到发电开始温度T1(例如，500℃)时(时刻t3)，使燃料电池堆1进行发电，通过第一燃料喷射器52和第二燃料喷射器53双方供给原燃料。具体地说，将设置于燃料电池堆1与电力变换装置201(图2)之间的接线盒的开关电路(未图示)闭合，来开始从燃料电池堆1进行输出，并且，通过第一燃料喷射器52供给与堆入口出口温度差ΔT_stk相应的流量(最小主燃料流量m_{fuel_min}或最大主燃料流量m_{fuel_max})的原燃料，另一方面，通过第二燃料喷射器53供给与原燃料总流量m_{fuel_ttl}相差的量的原燃料。由此，能够在积极地利用燃料电池堆1通过发电产生的自发热来实现暖机的促进的同时，将由燃烧器41生成的燃烧气体控制为其目标温度，来提供重整所需的热量，与此同时，利用燃烧气体的热量来对燃料电池堆1进行加热。在此，主燃料流量m_{fuel_m}随着堆温度T_stk的上升而增大，但限制上升到超过额定流量m_{fuel_rtd}的流量(时刻t4)。也就是说，在暖机时，虽然容许原燃料总流量m_{fuel_ttl}增大到超过额定流量m_{fuel_rtd}的流量，但主燃料流量m_{fuel_m}被限制为额定流量m_{fuel_rtd}以下。

然后，当堆温度T_stk达到了暖机完成的判定温度T_wup时，认为燃料电池堆1的暖机已完成，结束启动控制，转移到通常时的控制。

(作用效果的说明)

本实施方式所涉及的燃料电池系统S如以上那样构成，下面说明通过本实施方式获得的作用和效果。

第一，在燃料电池系统S启动时，判定燃料电池堆1是否处于可发电的状态，具体地说，判定堆温度T_stk是否达到了发电开始温度T1，在堆温度T_stk达到了发电开始温度T1的情况下，使燃料电池堆1进行发电，通过第一燃料喷射器52和第二燃料喷射器53双方供给原燃料。由此，除了能够利用通过发电产生的燃料电池堆1自身的发热量以外，还能够利用燃烧气体的热量，能够在抑制相对于与暖机的进行相伴的燃料流量(原燃料总流量m_{fuel_ttl})的增大的燃料处理部(例如，重整器23)和燃烧器41的大型化的同时，利用大的热量对燃料电池堆1进行加热从而实现迅速的暖机。

第二，针对原燃料总流量m_{fuel_ttl}的设定，除了考虑燃烧气体的热量以外，还考虑阳极气体的排热回收量Q_rec和燃料电池堆1的发电量P_stk，由此能够适当地设定针对燃烧器41供给的原燃料的供给流量(副燃料流量m_{fuel_s})，能够防止燃烧气体的温度过度地上升。由此，能够抑制燃烧器41的劣化，并且能够避免由于堆入口出口温度差ΔT_stk的扩大而对燃料电池堆1施加过剩的热负荷。

第三，基于堆温度T_stk来设定目标燃烧器温度T_{cmb_trg}，由此能够根据暖机的进展状况来适当地设定目标燃烧器温度T_{cmb_trg}。并且，能够减轻设定目标燃烧器温度T_{cmb_trg}时的控制器51的运算负荷。

第四，设为根据堆入口出口温度差ΔT_stk来切换主燃料流量m_{fuel_m}在原燃料总流量m_{fuel_ttl}中所占的比率，具体地说，在堆入口出口温度差ΔT_stk相对小的情况下，设定使该比率降低的最小主燃料流量m_{fuel_min}(S204)，另一方面，在堆入口出口温度差ΔT_stk相对大的情况下，设定使该比率增大的最大主燃料流量m_{fuel_max}(S205)，由此能够在抑制堆入口出口温度差ΔT_stk的扩大的同时，促进利用阳极气体进行的排热回收，从而实现暖机的促进。

具体地说，在堆入口出口温度差ΔT_stk小的情况下，将主燃料流量m_{fuel_m}设定为最小值(m_{fuel_min})，由此能够通过排热回收量Q_rec的减少来使副燃料流量m_{fuel_s}增大(式(4.2a))，从而使燃烧气体维持高的温度。由此，能够促进以氧化剂气体为介质的燃料电池堆1的加热，从而实现暖机的促进。另一方面，在堆入口出口温度差ΔT_stk大的情况下，将主燃料流量m_{fuel_m}设定为最大值(m_{fuel_max})，由此能够通过排热回收量Q_rec的增大来维持暖机的进行，并通过减少燃烧气体所具有的热量来抑制以氧化剂气体为介质的燃烧电池堆1的加热，从而抑制堆入口出口温度差ΔT_stk的扩大。

第五，使燃料电池堆1以与堆温度T_stk相应的下限电压V_{stk_min}进行发电，由此能够使燃料电池堆1的通过发电产生的发热量H_stk最大，从而实现暖机的促进，缩短启动所需的时间。

(其它实施方式的说明)

下面说明本发明的其它实施方式。

图14示出了本发明的其它实施方式所涉及的燃料电池系统的启动控制(发电加热模式)的流程。

在本实施方式中，系统整体的结构可以与图2所示的之前的实施方式中的结构相同，控制器51当从启动开关106被输入了启动要求信号时，开始启动控制，通过与图3所示的流程同样的流程，来选择发电加热模式或燃烧加热模式。

在选择了发电加热模式的情况下，在S301中，基于堆温度T_stk来计算目标堆发电量P_{stk_trg}。具体地说，通过与图4所示的流程图的S202同样的处理来计算。

在S302中，通过与S203同样的处理，来判定堆入口出口温度差ΔT_stk是否为规定值ΔT1以下。在堆入口出口温度差ΔT_stk为规定值ΔT1以下的情况下，进入S303，在堆入口出口温度差ΔT_stk超过规定值ΔT1的情况下，进入S304。

在S303和304中，计算目标燃烧器温度T_{cmb_trg}。例如，在S303中，作为用于抑制燃烧器41的过度升温的温度，能够基于燃料电池堆1的出口温度(例如，堆温度T_stk)来进行计算，在S304中，作为用于抑制堆入口出口温度差ΔT_stk的扩大的温度，能够基于燃料电池堆1的入口温度(例如，氧化剂气体温度T_cth)来进行计算。

在本实施方式中，在S303中，通过从图15所示的倾向的表数据中的检索，来将目标燃烧器温度T_{cmb_trg}计算为与堆温度T_stk相应的温度。堆温度T_stk越高时，则目标燃烧器温度T_{cmb_trg}被设定为越大的值。

在S304中，将预先设定的目标燃烧器温度T_{cmb_trg}计算为赋予氧化剂气体温度T_cth的温度。与S303中的处理同样地通过从表数据中的检索来进行计算，由此能够实现运算时间的缩短。

在S305中，计算原燃料总流量m_{fuel_ttl}。在本实施方式中，将目标燃烧器温度T_{cmb_trg}与燃烧器温度T_cmb(由燃烧器温度传感器105检测出的温度)之差输入到未图示的PI控制器等反馈控制器，对原燃料总流量m_{fuel_ttl}加上使差接近0的校正量。

在S306中，判定原燃料总流量m_{fuel_ttl}是否为额定流量m_{fuel_rtd}以上。在原燃料总流量m_{fuel_ttl}为额定流量m_{fuel_rtd}以上的情况下，进入S307，在原燃料总流量m_{fuel_ttl}小于额定流量m_{fuel_rtd}的情况下，进入S308。

在S307中，将主燃料流量m_{fuel_m}设定为额定流量m_{fuel_rtd}。

在S308中，将主燃料流量m_{fuel_m}设定为原燃料总流量m_{fuel_ttl}。

在S309中，通过从原燃料总流量m_{fuel_ttl}减去主燃料流量m_{fuel_m}，来计算副燃料流量m_{fuel_s}。

根据本实施方式，能够使燃料流量m_{fuel_m}、m_{fuel_s}的计算简化，并且有助于实现迅速的暖机。

在以上的说明中，构成为：通过将燃烧器41与燃料电池堆1的阴极排气通路12exh连接，来经由阴极排气通路12exh对燃烧器41供给用于催化剂燃烧的氧化剂。由此，不需要另外设置用于向燃烧器41供给氧化剂的特殊的单元，从而能够使燃料电池系统S的结构简化。不限于此，也可以构成为：通过将燃烧器41与阴极气体通路12连接，来不经由燃料电池堆1地从空气压缩机61直接向燃烧器41供给氧化剂。并且，用于向燃烧器41供给氧化剂的单元还能够与阴极气体供给排出系统相独立地设置。

以上说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不在于将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。能够针对上述实施方式在权利要求书所记载的事项的范围内进行各种变更和修正。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，具备：

燃料电池；

燃料处理部，其用于对原燃料进行处理，来生成所述燃料电池的燃料气体；

氧化剂气体加热部，其用于对所述燃料电池的氧化剂气体进行加热；

燃烧器，其用于使所述原燃料燃烧，来生成用于对所述燃料处理部和所述氧化剂气体加热部进行加热的燃烧气体；

供给控制部，其在所述燃料电池的暖机时，控制针对所述燃料处理部和所述燃烧器的所述原燃料的供给；以及

发电控制部，其控制所述燃料电池的所述暖机时的发电状态，

其中，在所述燃料电池达到了其可发电温度的情况下，

所述发电控制部使所述燃料电池进行发电，

所述供给控制部以将所述燃料处理部和所述燃烧器分配比暖机后的额定运转下的所述原燃料的供给流量大的流量的所述原燃料的方式来供给该原燃料。

2.一种燃料电池系统，具备：

燃料电池；

燃料处理部，其设置于所述燃料电池的阳极气体通路，用于对所述燃料电池的原燃料进行处理；

氧化剂气体加热部，其设置于所述燃料电池的阴极气体通路，用于对所述燃料电池的氧化剂气体进行加热；

燃烧器，其被配设成使所述原燃料燃烧，并能够利用所述原燃料的燃烧气体来对所述燃料处理部和所述氧化剂气体加热部进行加热；

供给控制部，其在所述燃料电池的暖机时，控制针对所述燃料处理部和所述燃烧器的所述原燃料的供给；以及

发电控制部，其控制所述燃料电池的所述暖机时的发电状态，

其中，在所述燃料电池达到了其可发电温度的情况下，所述发电控制部使所述燃料电池进行发电，

所述供给控制部具备暖机时目标流量设定部，该暖机时目标流量设定部将与所述燃料电池的温度相应的暖机时目标流量设定为所述燃料电池的暖机时的所述原燃料的目标流量，

在所述燃料电池达到了所述可发电温度的情况下，所述供给控制部以对所述燃料处理部和所述燃烧器分配比暖机后的额定运转下的所述原燃料的供给流量大的所述暖机时目标流量的所述原燃料的方式来供给该原燃料。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述暖机时目标流量设定部具有目标燃烧气体温度设定部，该目标燃烧气体温度设定部用于设定所述燃烧气体的目标温度即目标燃烧气体温度，

所述暖机时目标流量设定部设定有表示所述暖机时目标流量、所述燃烧气体的热量、流过所述燃料处理部的阳极气体的排热回收量以及所述燃料电池的发电量之间的关系的关系式，

所述暖机时目标流量设定部基于所述目标燃烧气体温度，借助所述关系式来设定所述暖机时目标流量。

4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述暖机时目标流量设定部具有：

目标燃烧气体温度设定部，其用于设定所述燃烧气体的目标温度；以及

燃烧气体温度检测部，其用于检测所述燃烧气体的温度，

所述暖机时目标流量设定部基于所述燃烧气体的目标温度和检测温度，来设定所述暖机时目标流量。

5.根据权利要求3或4所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述暖机时目标流量设定部还具有用于检测所述燃料电池的温度的燃料电池温度检测部，

所述暖机时目标流量设定部基于所述燃料电池的温度，来设定所述燃烧气体的目标温度。

6.根据权利要求1～5中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述供给控制部针对所述燃料电池的输入与输出之间的温度差的扩大，来使向所述燃料处理部供给的所述原燃料的流量在所述暖机时目标流量中所占的比率增大。

7.根据权利要求1～5中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述供给控制部构成为能够在第一供给模式与第二供给模式之间进行切换，其中，所述第一供给模式是向所述燃料处理部供给的所述原燃料的流量在所述暖机时目标流量中所占的比率相对高的模式，所述第二供给模式是向所述燃烧器供给的所述原燃料的流量在所述暖机时目标流量中所占的比率相对高的模式，

所述供给控制部在所述燃料电池的输入与输出之间的温度差为规定值以下的情况下选择所述第二供给模式，在所述温度差超过所述规定值的情况下选择所述第一供给模式。

8.根据权利要求1～7中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

在所述暖机时向所述燃料处理部供给的所述原燃料的流量为针对暖机后的通常时所设定的所述原燃料的目标流量以下。

9.根据权利要求1～8中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述发电控制部使所述燃料电池以与所述燃料电池的温度相应的下限电压进行发电。

10.一种燃料电池系统的控制方法，用于控制燃料电池系统，所述燃料电池系统用于向燃料电池供给通过对原燃料进行处理而产生的燃料气体来进行发电，其中，

在所述燃料电池系统启动时，

判定所述燃料电池是否处于可发电的状态，

在所述燃料电池处于可发电的状态的情况下，

对所述原燃料进行处理来使所述燃料电池进行发电，并利用通过发电而产生的热量来对所述燃料电池进行加热，并且，

使所述原燃料燃烧，以通过所述原燃料的燃烧而产生的燃烧气体为热源来对所述燃料电池进行加热，

针对所述原燃料的处理和燃烧，分配比所述燃料电池的额定运转所需的所述原燃料的供给流量大的流量的所述原燃料。

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