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CN113169363B - 燃烧系统和燃烧系统的控制方法 - Google Patents

燃烧系统和燃烧系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

在燃烧系统中，对燃烧器中的燃料的燃烧状态进行控制，该燃烧系统具备：燃烧器，其具备催化剂；以及加热器，其被配设为能够对催化剂供给热。一边由加热器对催化剂供给热，一边向燃烧器供给燃料和氧化剂气体，当到达规定时期时，使加热器停止并且使向燃烧器供给的燃料的流量相比于在加热器停止前向燃烧器供给的燃料的流量增大。在此，规定时期设为加热器停止前的燃料的发热量成为能够使增大后的流量的燃料升温到催化剂的起燃温度的热量以上的时期。

Description

燃烧系统和燃烧系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种具备催化剂燃烧型的燃烧器的燃烧系统及其控制方法。
背景技术
在JP2013-253004A中，公开了与具备氧化催化剂并在其上游设置有电加热器的重整器或重整系统有关的如下技术。在重整器开始启动后，使电加热器工作，通过由电加热器加热后的空气使氧化催化剂的温度上升。而且，基于氧化催化剂的温度达到了规定温度而使电加热器停止，开始对重整器供给燃料(0032段～0033段)。
发明内容
在此，在通过电加热器等加热器实现燃烧器所具备的催化剂的升温的燃烧系统中，如JP2013-253004A所记载的那样，基于催化剂的温度来判断使电加热器停止的时期中存在如下问题。也就是说，催化剂被在电加热器停止后供给的燃料降低温度，会破坏催化剂的良好的活性状态。该问题在采用气化潜热大的物质作为燃料的情况下变得尤为显著。而且，如果催化剂被降低温度的结果是难以使利用催化剂进行的反应继续，则担心不仅妨碍反应热的利用还使来自燃烧器的排气的性状恶化。
考虑到以上的问题，本发明的目的在于提供一种能够在适当的时期使用于对燃烧器所具备的催化剂供给热的加热器停止的燃烧系统及其控制方法。
在本发明的一个方式中，提供一种用于控制燃烧系统的燃烧器中的燃料的燃烧状态的燃烧系统的控制方法，该燃烧系统具备：燃烧器，其具备促进燃料的燃烧反应的催化剂；以及第一加热器，其被配设为能够对催化剂供给热。在本方式中，一边通过第一加热器对催化剂供给热一边向燃烧器供给燃料和氧化剂气体，当到达规定时期时，使第一加热器停止，并且使向燃烧器供给的燃料的流量相比于在第一加热器停止前向所述燃烧器供给的所述燃料的流量增大。在此，规定时期是第一加热器停止前的燃料的发热量成为能够使增大后的流量的燃料升温到催化剂的起燃温度的热量以上的时期。
在其它方式中，提供燃烧系统。
附图说明
图1是示出应用了本发明的一个实施方式所涉及的燃烧系统的燃料电池系统的整体结构的概要图。
图2是示意性地示出所述燃料电池系统的启动时的动作的说明图。
图3是示意性地示出所述燃料电池系统的通常时的动作的说明图。
图4是示意性地示出所述燃料电池系统的通常时(特别是燃烧器的输出增大时)的动作的说明图。
图5是示出所述燃料电池系统的启动时的控制的整体流程的流程图。
图6是示出所述燃料电池系统的启动时的控制中的A部分中执行的处理的内容的流程图。
图7是示出通过所述启动控制判定第一加热器(电加热器)的停止时期的原理的说明图。
图8是通过流量和温度的变化来表示所述启动控制的内容的说明图。
具体实施方式
下面，参照附图来对本发明的实施方式进行说明。
(燃料电池系统的整体结构)
图1概要地示出应用了本发明的一个实施方式所涉及的燃烧系统的燃料电池系统S的结构。
在本实施方式中，燃料电池系统(下面有时简称为“系统”)S具备燃料电池堆1、燃料处理部21～23、氧化剂气体加热部3、燃烧器4以及系统控制器101。
燃料电池堆(下面有时简称为“堆”)1是将多个燃料电池或燃料电池单位电池层叠构成的，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)。
燃料处理部21～23对作为一次燃料的原燃料进行处理，转换为被使用于燃料电池中的发电反应的燃料气体。燃料处理部21～23被插入安装于阳极气体供给通路11，接受原燃料的供给。在本实施方式中，原燃料是含氧燃料与水的混合物，被贮存在与阳极气体供给通路11连接的燃料箱7中。作为本实施方式中能够应用的原燃料，能够例示乙醇与水的混合物(也就是说，乙醇水溶液)，该情况下的燃料气体是通过对乙醇重整而得到的氢气。
氧化剂气体加热部3在将氧化剂气体向燃料电池堆1供给前对其进行加热。氧化剂气体加热部3被插入安装于阴极气体供给通路12，接受氧化剂气体的供给。氧化剂气体例如为空气，通过向燃料电池堆1的阴极供给大气中的空气，能够将发电反应中使用的氧气供给至阴极。
在此，与固体氧化物型燃料电池的阳极和阴极处的发电有关的反应能够通过下式来表示。
阳极：2H2+4O2-→2H2O+4e-…(1.1)
阴极：O2+4e-→2O2-…(1.2)
燃烧器4在系统暖机完成后的通常系统运转时(下面有时简称为“通常时”)，使从燃料电池堆1排出的废气中的残余燃料(也就是说，残余氢气)燃烧，生成燃烧气体。在本实施方式中，燃烧器4与阳极废气通路11exh和阴极废气通路12exh连接，通过这些通路11exh、12exh接受阳极废气和阴极废气的供给。能够针对在燃料电池系统S运转时需要维持为规定的动作温度的要素供给通过燃烧产生的热。在本实施方式中，经由燃烧气体通路13对氧化剂气体加热部3和燃料处理部(特别是其蒸发器21)供给由燃烧器4生成的燃烧气体，并且以传导或辐射方式对燃料处理部的燃料热交换器22和重整器23施加燃烧气体的热。也就是说，在本实施方式中，由燃烧器4生成的燃烧气体被使用为对作为原燃料的乙醇水溶液和作为氧化剂气体的空气进行加热的媒介。
对燃料电池系统S的结构进行进一步的说明，燃料电池堆1在阳极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供给通路11和用于从阳极排出的发电反应后的阳极废气流过的阳极废气通路11exh，另一方面，在阴极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供给通路12和用于从阴极排出的发电反应后的阴极废气流过的阴极废气通路12exh。
而且，在将燃料箱7与燃料电池堆1的阳极连接的阳极气体供给通路11上，从流动方向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。并且，在蒸发器21的上游侧从阳极气体供给通路11分支出分支燃料通路11sub，分支燃料通路11sub与燃烧器4连接。在阳极气体供给通路11的位于分支燃料通路11sub的分支点与蒸发器21之间的部分插入安装有第一燃料喷射器51，在分支燃料通路11sub插入安装有第二燃料喷射器52。
蒸发器21从燃料箱7接受作为原燃料的乙醇水溶液的供给，对乙醇水溶液进行加热使其蒸发，生成乙醇气体和水蒸气。
燃料热交换器22进一步对乙醇气体和水蒸气进行加热。
重整器23内置有重整用催化剂，通过水蒸气重整来从处于气体状态的乙醇生成氢气。水蒸气重整能够通过下式来表示。
C2H5OH+3H2O→6H2+2CO2 …(2)
氧化剂气体加热部3由空气热交换器构成，通过与燃烧气体之间的热交换来对流过阴极气体供给通路12的氧化剂气体进行加热。在本实施方式中，在阴极气体供给通路12的开放端附近设置有鼓风机或空气压缩机6，大气中的作为氧化剂气体的空气经由鼓风机6被吸入到阴极气体供给通路12。被吸入的空气在通过氧化剂气体加热部3时被从常温(例如25℃)升温并被供给至燃料电池堆1。
燃烧器4内置有燃烧用催化剂，从燃料电池堆1接受阳极废气和阴极废气的供给，通过阳极废气中的残余燃料的催化燃烧而产生燃烧气体。在此，阴极废气中的残余氧气成为助燃剂、也就是有助于燃烧的氧化剂气体。燃烧器4除了接受阳极废气的供给以外，还能够通过分支燃料通路11sub接受作为原燃料的乙醇水溶液的供给，在该情况下，在生成燃烧气体时，除了使残余燃料燃烧以外还使乙醇燃烧。既能够仅接受阳极废气和乙醇水溶液中的阳极废气的供给，也能够仅接受乙醇水溶液的供给，这是不言而喻的。在仅接受乙醇水溶液的供给的情况下，只要使阳极废气绕过燃烧器4流动即可。
在本实施方式中，针对燃烧器4而在阳极废气和原燃料的流动的上游侧相邻地附设有加热器(相当于“第一加热器”)41。加热器41内置有电加热器，通过该电加热器加热的加热器41内部的流路壁面上担载有组成与燃烧器4所具备的催化剂相同或不同的燃烧用催化剂。由此，加热器41将向燃烧器4供给的燃料、也就是从燃料电池堆1供给的阴极废气中的残余燃料和通过分支燃料通路11sub供给的原燃料在流入燃烧器4之前通过电加热器和催化剂双方来进行加热。由加热器41进行的加热可以是仅由电加热器进行的加热，例如在催化剂处于非活性状态的情况下，能够将残余燃料和原燃料通过电加热器加热后供给至燃烧器4。
系统控制器101在燃料电池系统S的运转中，控制对蒸发器21和燃烧器4进行的燃料的供给(向燃烧器4的供给为经由加热器41进行的供给)，并且控制对氧化剂气体加热部3进行的氧化剂气体的供给，并且还对加热器41的动作进行控制。在本实施方式中，系统控制器101被构成为电子控制单元。第一燃料喷射器51、第二燃料喷射器52、鼓风机6以及加热器41响应于来自系统控制器101的信号而工作，向蒸发器21和燃烧器4供给燃料且向氧化剂气体加热部3供给氧化剂气体，并且，将向燃烧器4供给的燃料、也就是经由燃料电池堆1供给的燃料(残余燃料)和从燃料箱7直接供给的燃料(原燃料)在流入燃烧器4之前进行加热。
燃料电池堆1的发电电力能够用于对未图示的蓄电池进行充电、或者驱动电动马达或电动发电机(motor generator)等外部装置。例如，燃料电池系统S能够应用于产生车辆的推进力的驱动系统，能够将通过燃料电池堆1的额定运转产生的电力充入蓄电池、或者将与车辆的目标驱动力相应的电力从蓄电池和燃料电池堆1供给至行驶用的电动发电机。
(控制系统的结构及其基本动作)
在本实施方式中，系统控制器101被构成为由具备中央运算单元(CPU)、ROM及RAM等各种存储单元、输入输出接口等的微计算机构成的电子控制单元，对第一燃料喷射器51、第二燃料喷射器52、鼓风机6以及加热器41等在燃料电池系统S运转时所需要的各种装置乃至部件的动作进行控制。
作为与燃料电池系统S的控制有关的信息，系统控制器101除了被输入来自检测阳极入口温度Tand_int的阳极入口温度传感器201的信号、来自检测阴极入口温度Tcth_int的阴极入口温度传感器202的信号、来自检测堆出口温度Tstk_out的堆出口温度传感器203的信号、来自检测燃料流量Qf的燃料流量传感器204的信号、来自检测氧化剂气体流量Qa的氧化剂气体流量传感器205的信号、来自检测堆电压Vstk的堆电压传感器206的信号、来自检测堆电流Istk的堆电流传感器207的信号、来自检测加热器电压Vh的加热器电压传感器208的信号、来自检测加热器电流Ih的加热器电流传感器209的信号以外，还被输入来自系统启动开关210和未图示的加速踏板传感器的信号。
阳极入口温度Tand_int为供给至燃料电池堆1的阳极的阳极气体的温度，将在阳极气体供给通路11的堆连接部附近设置的阳极入口温度传感器201的输出设为阳极入口温度Tand_int。
阴极入口温度Tcth_int为供给至燃料电池堆1的阴极的阴极气体的温度，将在阴极气体供给通路12的堆连接部附近设置的阴极入口温度传感器202的输出设为阴极入口温度Tcth_int。
堆出口温度Tstk_out为从燃料电池堆1排出的废气的温度，将在燃料电池堆1的阴极出口部附近设定的堆出口温度传感器203的输出设为堆出口温度Tstk_out。在本实施方式中，将堆出口温度Tstk_out设为供给至燃烧器4的氧化剂气体的温度的指标。
燃料流量Qf为供给至燃烧器4的原燃料的流量，将在分支燃料通路11sub与加热器41的连接部附近设置的燃料流量传感器204的输出设为燃料流量Qf。
氧化剂气体流量Qa为供给至燃料电池堆1的阴极的氧化剂气体的流量，将在阴极气体供给通路12的位于氧化剂气体加热部3的上游侧的部分设置的氧化剂气体流量传感器205的输出设为氧化剂气体流量Qa。在本实施方式中，将氧化剂气体流量Qa设为供给至燃烧器4的氧化剂气体的流量的指标。
堆电压Vstk为燃料电池堆1的发电电压，将被设置为能够检测在燃料电池堆1的端子间施加的电压的堆电压传感器206的输出设为堆电压Vstk。
堆电流Istk为燃料电池堆1的发电电流，将被设置为能够检测在燃料电池堆1的端子间流过的电流的堆电流传感器207的输出设为堆电流Istk。
加热器电压Vh为对加热器41的电加热器施加的电压，通过加热器电压传感器208来检测。
加热器电流Ih为流过加热器41的电加热器的电流，通过加热器电流传感器209来检测。
系统启动开关210由驾驶员进行操作，响应于驾驶员的操作而输出表示燃料电池系统S的启动请求的信号。
加速踏板传感器例如检测驾驶员对加速踏板的操作量来作为对车辆要求的行驶驱动力(也就是目标驱动力)的指标。
系统控制器101当被从系统启动开关210输入燃料电池系统S的启动请求时，执行预先编程好的启动控制，对燃料电池堆1进行暖机。燃料电池堆1的暖机是指使在停止中处于低温(例如常温)的燃料电池堆1升温到其动作温度。
而且，当燃料电池堆1通过暖机而温度上升并达到其动作温度时，系统控制器101结束启动控制并转移到通常时的发电控制。在通常时，基本上是使燃料电池堆1以其额定点运转，将额定运转所需要的流量的原燃料经由第一燃料喷射器51供给至蒸发器21。在此，燃料电池堆1的额定运转是指燃料电池堆1的最大发电输出时的运转。
(燃料电池系统的基本动作)
图2～图4示出燃料电池系统S的启动时和通常时的基本动作。图2示出系统的启动时的动作，图3和图4示出通常时的动作。图中带箭头的粗实线表示有气体或液体流过的通路，不带箭头的细实线表示没有气体或液体流过的通路。
在启动时(图2)，使第一燃料喷射器51停止，另一方面，使第二燃料喷射器52工作，将贮存在燃料箱7中的原燃料经由第二燃料喷射器52供给至燃烧器4。向燃烧器4进行的原燃料的供给经由加热器41来进行，在加热器41中，在燃烧器4所具备的催化剂处于未激活的状态、或者无法获得原燃料的良好的燃烧状态的情况下，使电加热器工作，通过电加热器对原燃料进行加热来对催化剂供给热。另一方面，将大气中的空气通过鼓风机6获取到阴极气体供给通路12中，经由氧化剂气体加热部3供给到燃料电池堆1。通过了燃料电池堆1的空气流过阴极废气通路12exh，作为原燃料的助燃剂而被供给至燃烧器4。向燃烧器4进行的空气的供给也与燃料同样地经由加热器41来进行，在加热器41中，通过电加热器将空气与原燃料一起加热。由燃烧器4生成的燃烧气体经由燃烧气体通路13被供给至氧化剂气体加热部3和燃料处理部的蒸发器21，并且通过燃烧产生的热被供给至燃料处理部的燃料热交换器22和重整器23。像这样，在启动时，燃料电池堆1被通过原燃料的燃烧产生的热辐射加热，并且以通过氧化剂气体加热部3加热后的空气为媒介被进一步加热，促进燃烧电池堆1的暖机。
对于此，在通常时(图3)，使第一燃料喷射器51工作，将贮存在燃料箱7中的原燃料经由第一燃料喷射器51供给至包括蒸发器21的燃烧处理部21～23。与此同时，使鼓风机6工作，将作为氧化剂气体的空气经由氧化剂气体加热部3供给至燃料电池堆1。从燃料电池堆1排出的发电反应后的废气(阳极废气、阴极废气)经由阳极废气通路11exh和阴极废气通路12exh被导入到加热器41，经由加热器41被供给至燃烧器4。阳极废气中的残余燃料在加热器41和燃烧器4的催化剂上燃烧，由此产生的燃烧气体经由燃烧气体通路13被供给至氧化剂气体加热部3和蒸发器21，并且燃烧气体的热被供给至燃料热交换器22和重整器23。由此，燃料处理部21～23和氧化剂气体加热部3被加热，蒸发器21被维持为能够使原燃料(乙醇水溶液)蒸发的温度，并且重整器23被维持为能够对原燃料(乙醇)进行重整的温度，进而，氧化剂气体加热部3和燃料电池堆1被维持为各个动作所需要的温度。
在此，基本上基于堆出口温度Tstk_out来设定启动时的原燃料的供给流量(也就是第二燃料喷射器52的喷射流量)。具体地说，将堆出口温度Tstk_out与燃料电池堆1的入口侧及出口侧之间容许的温度差ΔTstk相加得到的温度设定为目标堆入口温度Tint_trg(＝Tstk_out+ΔTstk)。而且，计算与使氧化剂气体、也就是从大气中取得的常温(例如25℃)的空气升温到目标堆入口温度Tint_trg而应供给到氧化剂气体加热部3的热量相应的原燃料的流量，将该原燃料的流量设定为启动时的原燃料的供给流量。
对于此，基于燃料电池堆1被要求的输出、换言之燃料电池堆1的负载来设定通常时的原燃料的供给流量(也就是第一燃料喷射器51的喷射流量)。而且，在仅通过阳极废气中的残余燃料不足以通过燃烧器4来产生将燃料电池堆1维持为其动作温度所需要的热量的情况下，除了使第一燃料喷射器51工作以外还使第二燃料喷射器52工作，经由第二燃料喷射器52来对燃烧器4供给与不足的部分相当的流量的原燃料(图4)。
(基于流程图的说明)
图5示出在需要燃料电池堆1暖机的启动时执行的控制的整体流程，图6示出图5所示的流程图的A部分中执行的处理的内容。系统控制器101被编程为以来自系统启动开关210的启动请求的输入为契机执行图5和6所示的控制。参照通过时间图来表示启动时的系统S的动作的图8来说明启动控制的内容。
在S101中，判定是否从系统启动开关210输入了燃料电池系统S的启动请求。仅在输入了启动请求的情况下，进入S102，执行S102以后所示的处理。
在S102中，使鼓风机6工作，开始对燃烧器4供给氧化剂气体、也就是空气(时刻t0)。在本实施方式中，在燃料电池系统S开始启动后，首先对燃烧器4仅供给空气。
在S103中，使加热器41工作，开始对燃烧器4的催化剂供给由电加热器产生的热(时刻t1)。在本实施方式中，在鼓风机6启动后，等待对燃烧器4进行的空气的供给稳定后使加热器41工作。例如，相对于由氧化剂气体流量传感器205检测出的空气流量Qa的变化，考虑移动到燃烧器4所需要的时间上的延迟来估计燃烧器4中的变化，根据其估计结果判定对燃烧器4进行的空气的供给是否已稳定。可以为，预先掌握在鼓风机6启动后对燃烧器4进行的空气的供给稳定所需要的时间，基于经过了该时间而判定为空气的供给已稳定。在本实施方式中，加热器41的输出、也就是电加热器每单位时间产生的热量是固定的。
在S104中，判定燃烧器4所具备的催化剂的温度(下面简称为“催化剂温度”时视为称呼燃烧器4所具备的催化剂的温度)Tcat是否上升到了催化剂的起燃温度Tloff。在上升到了起燃温度Tloff的情况下，进入S105(时刻t2)，在还未上升到起燃温度Tloff的情况下，重复进行S104的判定直到达到起燃温度Tloff为止。关于催化剂温度Tcat是否上升到了起燃温度Tloff的判定，也能够通过在催化剂的床部设置温度传感器来检测催化剂的实际的温度而进行该判定，还能够通过按空气的温度预先掌握催化剂温度Tcat相对于对燃烧器4供给空气的供给流量和加热器41的输出(也就是说，电加热器的发热量)的变化率ΔT，根据使加热器41工作的时间点的催化剂的初始温度Tcat0和该变化率ΔT来估计催化剂温度Tcat而进行该判定(Tcat＝Tcat0+ΣΔT)。简单地说，也可以基于从使加热器41工作的时间点经过了规定时间而判定为上升到了起燃温度Tloff。
在S105中，使第二燃料喷射器52工作，开始对燃烧器4供给燃料(时刻t2)。由此，燃料在燃烧器4和加热器41双方所具备的催化剂上燃烧，催化剂温度Tcat进一步上升。
转移到图6的流程图，在S201中，设定向燃烧器4供给的空气的目标流量(下面称为“目标空气流量”)Qa_trg。通过向燃烧器4供给的空气的增量来进行目标空气流量的Qa_trg的设定以避免破坏催化剂的良好的活性状态。在本实施方式中，与催化剂温度Tcat的上升相应地、具体地说以按催化剂温度Tcat预先决定的变化率ΔQa使目标空气流量Qa_trg增大(Qa_trg＝Qa_trg+ΔQa)。系统控制器101基于目标空气流量Qa_trg来控制鼓风机6的转速。
在S202中，设定向燃烧器4供给的燃料的目标流量(下面称为“目标燃料流量”)Qf_trg。如前面记述的那样，基于堆出口温度Tstk_out来进行目标燃料流量Qf_trg的设定。具体地说，将堆出口温度Tstk_out与燃料电池堆1的入口侧及出口侧之间容许的温度差ΔTstk相加来计算目标堆入口温度Tint_trg，计算使从大气中取得的常温的空气升温到目标堆入口温度Tint_trg所需要的燃烧气体的温度来作为目标燃烧气体温度Tcmb_trg。然后，基于供给到燃烧器4的空气的流量和温度、供给到燃烧器4的燃料的温度、以及加热器41的输出等，来根据燃烧器4的入口侧与出口侧之间的能量收支计算为了获得目标燃烧气体温度Tcmb_trg的燃烧气体而需要向燃烧器4供给的燃料的流量，将该燃料的流量设定为目标燃料流量Qf_trg。系统控制器101基于目标燃料流量Qf_trg来控制第二燃料喷射器52的喷射流量。
在S203中，判定加热器41是否处于工作中。在加热器41处于工作中的情况下，也就是说在对电加热器进行着通电的情况下，进入S204，在不处于工作中的情况下，进入S207。
在S204中，判定是否处于应结束由加热器41向燃烧器4的催化剂进行的热的供给的时期(下面称为“加热器停止时期”)。该判定的详细内容将在后面记述。在处于加热器停止时期的情况下，进入S205(时刻t3)，在不处于加热器停止时期的情况下，进入S207以继续向电加热器通电。
在S205中，切断向电加热器的通电，使加热器41停止(时刻t3)。
在S206中，使目标燃料流量Qf_trg增大规定流量ΔQf(相当于“流量增加率”。)，使针对燃烧器4供给燃料的供给流量增大(时刻t3)。在本实施方式中，规定流量ΔQf被设定为与加热器停止时期前的加热器41的输出、也就是电加热器的发热量相应的流量，作为这样的流量，能够例示与加热器停止时期前的电加热器的发热量相等的热量。也就是说，为了维持燃烧器4自身的输出，通过燃料的增量来补偿加热器41的输出的减少部分。能够基于对电加热器施加的电压Vh和流过电加热器的电流Ih容易地计算加热器41的输出。在本实施方式中，由于电加热器的发热量是固定的，因此规定流量ΔQf也可以是固定的。
在S207中，判定燃料电池系统S的暖机是否完成。暖机是否完成的判定例如通过判定堆出口温度Tstk_out是否达到了表示暖机完成的规定温度来进行。在堆出口温度Tstk_out达到了规定温度的情况下，视为暖机已完成，进入S208，在还未达到规定温度的情况下，返回到S201，继续对燃烧器4进行燃料和空气的供给，使燃烧器4继续工作。
在S208中，使暖机运转结束，转移到通常时的运转。
在本实施方式中，通过燃烧器4、加热器41、第二燃料喷射器52、分支燃料通路11sub、鼓风机6、阴极气体供给通路12、阴极废气通路12exh以及系统控制器101构成“燃烧系统”，燃烧器4构成“燃烧器”，加热器41构成“第一加热器”，第二燃料喷射器52和分支燃料通路11sub构成“燃料供给部”，鼓风机6、阴极气体供给通路12以及阴极废气通路12exh构成“氧化剂气体供给部”，系统控制器101构成“控制器”。在此，通过图5和6的流程图所示的处理中的S103、201、202、204～206的处理实现本实施方式所涉及的“控制器”的功能。
在此，对是否处于加热器停止时期的判定(图6的S204)进一步说明。
在本实施方式中，关于是否处于加热器停止时期的判定，通过在将当前的、换言之加热器停止时期前的供给流量Qf1或目标燃料流量Qf_trg下的燃料的发热量Hf1、与使增大后的供给流量Qf2或目标燃料流量Qf_trg(＝Qf_trg+ΔQf)的燃料升温到催化剂的起燃温度Tloff所需要的热量Hv2进行比较的情况下，判定前者的热量Hf1是否为后者的热量Hv2以上、也就是说通过加热器停止时期前的流量的燃料的燃烧产生的热量是否为足以使增大后的流量的燃料升温到催化剂的起燃温度的热量。
图7关于本实施方式示意性地示出判定是否处于加热器停止时期的方法。图7的(a)示出能够使伴随加热器停止而产生的增量后的燃料升温到起燃温度Tloff的情况(Hv2≤Hf1)，该图的(b)示出不能升温到起燃温度Tloff的情况(Hf1<Hv2)。
参照图7，当通过数式来表示处于加热器停止时期的情况下的关系时如下。
Hv2≤Hf1＝Qf1×LHV …(3.1)
Qf2×LHV＝Qf1×LHV+P …(3.2)
在此，Qf1表示(加热器停止时期前的)燃料的供给流量，Qf2表示增大后的燃料的供给流量，Hv1表示使流量Qf1的燃料升温到起燃温度Tloff所需要的热量，Hv2表示使增大后的流量Qf2的燃料升温到起燃温度Tloff所需要的热量，P表示电加热器的发热量，LHV表示燃料的低位发热量。
通过具体例来进行说明，假设在加热器停止时期前，对燃烧器4供给与1.0kW热量相当的流量Qf1的燃料，电加热器的发热量P为0.5kW。假定如下的情况：从这样的状态切断向电加热器的通电，使加热器41停止，并且使目标燃料流量Qf_trg增大来供给与加热器停止时期前的供给热量的总量即1.5kW热量相当的流量Qf2的燃料。在该情况下，假设加热器停止时期前的流量Qf1下的燃料的气化潜热Hv1为0.2kW，根据燃料的增量前后的发热量Hf1、Hf2之比，增大后的流量Qf2下的燃料的气化潜热Hv2成为0.3kW。在本实施方式中，将通过加热器停止时期前的流量Qf1的燃料的燃烧得到的热量Hf1(＝1.0kW)与增大后的流量Qf2下的燃料的气化潜热Hv2(＝0.3kW)进行比较，在前者的热量Hf1(＝1.0kW)为后者的热量Hv2(＝0.3kW)以上的情况下，判定为能够使伴随加热器停止而产生的增量后的燃料升温到起燃温度Tloff。
像这样，在本实施方式中，将加热器停止时期前的燃料(流量Qf1)的发热量Hf1与增大后的流量Qf2下的燃料的气化潜热Hv2进行比较，根据通过加热器停止时期前的流量Qf1的燃料的燃烧获得了足以补偿增量后的燃料的气化潜热Hv2的热量而判定为能够使增量后的燃料升温到起燃温度Tloff。但是，并不限定于此，也可以计算使增量后的燃料从常温升温到起燃温度Tloff所需要的热量。通过除了气化潜热以外，还考虑处于液体和气体的各状态的燃料的比热，能够进行该计算。
(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，通过由加热器41对燃烧器4所具备的催化剂供给热，来促进催化剂的激活，能够从较早的时期开始使催化剂上的燃料良好地产生燃烧反应。在此，在催化剂升温时，设为在规定时期使加热器41停止、并且使向燃烧器4供给的燃料的流量Qf增大，将使加热器41停止的时期(加热器停止时期)设为加热器停止时期前的燃料的发热量Hf1成为能够使增大后的流量Qf2的燃料升温到催化剂的起燃温度Tloff的热量Hv2以上的时期，由此通过燃烧产生的热的大部分被增量后的燃料的气化所消耗，避免催化剂的温度过度地、具体地说下降至低于起燃温度Tloff，在加热器41停止后也能够维持催化剂的良好的活性状态。
第二，在加热器停止时期，通过使燃料的流量Qf增大与加热器41的输出相应的流量ΔQf，能够维持燃烧器4自身的输出，从而能够促进燃料电池堆1的暖机。
第三，在加热器41中具备电加热器，通过向燃烧器4的催化剂供给电加热器所产生的热，能够容易地切换加热器41的工作与停止，能够削减构建燃料电池系统S所需要的部件件数。
第四，在加热器41中，通过将催化剂担载在接受来自电加热器的热的流路壁面上，能够通过燃料的催化剂反应的进一步的活用来实现使燃料电池堆1迅速地暖机。
第五，基于对电加热器施加的电压Vh和流过电加热器的电流Ih，能够容易地计算加热器41的输出。
(其它实施方式的说明)
在以上的说明中，在是否处于加热器停止时期的判定中，将加热器停止时期前的流量Qf1下的燃料的发热量Hf1与能够使伴随加热器停止而产生的增量后的燃料升温到催化剂的起燃温度Tloff所需要的热量Hv2进行了比较，但是判定并不限定于此，也能够考虑加热器停止时期前的燃烧器4的散热量Hloss来进行。
具体地说，通过判定从通过流量Qf1的燃料的燃烧获得的热量Hf1减去到加热器停止时期为止的燃烧器4的散热量Hloss而得到的热量(＝Hf1-Hloss)是否为使增量后的燃料升温到起燃温度Tloff所需要的热量Hv2以上来进行。由此，能够通过掌握有助于维持加热器停止后的催化剂的活性的实质的热量，来更精确地判定加热器停止时期。而且，当通过数式来表示该情况下的判定时如下式那样。能够基于燃烧气体或燃烧器4的温度Tcmb计算燃烧器4的散热量Hloss。能够计算基于燃料和氧化剂气体的供给流量Qf、Qa的绝热火焰温度，来作为燃烧气体的温度Tcmb。
Hv2≤Hf1-Hloss＝(Qf1×LHV)-Hloss …(4.1)
Qf2×LHV＝Qf1×LHV+P …(4.2)
Hloss＝A×h×(Tcmb-Ta) …(4.3)
在此，A表示燃烧器4的表面积，h表示燃烧器4的热阻或热交换系数，Ta表示外部气温。
并且，在使增量后的燃料升温到起燃温度Tloff所需要的热量Hv2的计算中，不仅考虑燃料，还能够考虑到使氧化剂气体升温到起燃温度Tloff所需要的热量。
具体地说，计算将使燃料升温到起燃温度Tloff所需要的热量与氧化剂气体的升温所需要的热量相加得到的热量，将该热量与加热器停止时期前的流量Qf1下的燃料的发热量Hf1进行比较。由此，能够通过掌握能够用于使燃料升温的热量，来更精确地判定加热器停止时期。该情况的判定基于下式来进行。
Hv2+Qa×Cp(Tloff-Tstk_out)≤Hf1＝Qf1×LHV …(5.1)
Qf2×LHV＝Qf1×LHV+P …(5.2)
在此，Cp表示氧化剂气体、也就是空气的比热。
在以上的说明中，设为通过由加热器41对燃料或空气进行加热，来经由这些媒介间接地对燃烧器4的催化剂供给热，但是也能够通过由加热器41直接对燃烧器4加热，来更直接地对催化剂供给热。
并且，以在系统启动时进行燃料电池堆1的暖机的情况为例进行了说明，但是本实施方式所涉及的加热器停止时期的判定也能够应用于通常时的控制。也就是说，在燃烧器4所具备的催化剂的温度下降到了无法维持燃料的良好的燃烧反应的程度的情况下，使加热器41工作来实现使该催化剂迅速恢复活性，在燃烧器4停止后也通过燃料的增量而成为不会招致催化剂失活的状态时，判定为处于加热器停止时期，切断向电加热器的通电来使加热器41停止。
并且，加热器41的输出不仅是恒定的，也可以是可变的。这是因为，在该情况下，例如在催化剂升温时，不论是否使燃料的流量增大，通过响应于催化剂温度Tcat的上升而使加热器41的输出、也就是电加热器的发热量减少，都能够满足与加热器停止时期相关的条件。
并且，加热器41也可以代替电加热器而具备扩散燃烧器，或者具备电加热器且具备扩散燃烧器。将通过扩散燃烧器产生的热供给至燃烧器4的催化剂，来使催化剂升温。由此，关于加热器41，能够获得更多的选择。
并且，也可以除了设置燃烧器(第一燃烧器)4以外，还设置接受通过燃烧器4生成的燃烧气体的供给的第二加热器。将燃烧气体所具有的热经由第二加热器供给至燃烧器4的催化剂。由此，能够更迅速地使催化剂升温。
在以上的说明中，将本实施方式所涉及的燃烧系统应用于具备燃料电池堆1的发电系统、也就是燃料电池系统S，但是燃烧系统的应用对象并不限定于此。也能够作为以燃烧气体的生成本身为目的的系统来提供。
以上说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式只是表示本发明的应用例的一部分，并非旨在将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。针对上述实施方式，能够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 (16)

1.一种燃烧系统的控制方法，用于控制所述燃烧系统的燃烧器中的燃料的燃烧状态，所述燃烧系统具备：
所述燃烧器，其具备促进所述燃料的燃烧反应的催化剂；以及
第一加热器，其被配设为能够对所述催化剂供给热，
在所述燃烧系统的控制方法中，
一边由所述第一加热器对所述催化剂供给热，一边向所述燃烧器供给所述燃料和氧化剂气体，
在规定时期，使所述第一加热器停止，并且使向所述燃烧器供给的所述燃料的流量相比于在所述第一加热器停止前向所述燃烧器供给的所述燃料的流量增大，
所述规定时期是所述第一加热器停止前的所述燃料的发热量成为能够使所述增大后的流量的所述燃料升温到所述催化剂的起燃温度的热量以上的时期。
2.根据权利要求1所述的燃烧系统的控制方法，其中，
在所述规定时期，使所述燃料的流量增大与所述停止前的所述第一加热器的输出相应的流量。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧系统的控制方法，其中，
基于所述第一加热器停止前的所述燃料的流量和所述第一加热器的输出，来判定是否处于所述规定时期，
在判定为处于所述规定时期的情况下，使所述第一加热器停止，并且使向所述燃烧器供给的所述燃料的流量增大。
4.根据权利要求3所述的燃烧系统的控制方法，其中，
在判定是否处于所述规定时期时，计算从与该停止前的所述燃料的流量相应的发热量减去所述燃烧器的散热量所得到的热量，来作为所述第一加热器停止前的所述燃料的发热量。
5.根据权利要求4所述的燃烧系统的控制方法，其中，
基于所述燃料的燃烧气体的温度计算所述燃烧器的散热量，
计算基于所述燃料和氧化剂气体的流量的绝热火焰温度，来作为所述燃烧气体的温度。
6.根据权利要求1或2所述的燃烧系统的控制方法，其中，
计算使该燃料升温到所述催化剂的起燃温度所需要的热量与使所述氧化剂气体升温到所述催化剂的起燃温度所需要的热量相加得到的热量，来作为能够使所述增大后的流量的所述燃料升温到所述催化剂的起燃温度的热量。
7.根据权利要求1或2所述的燃烧系统的控制方法，其中，
与向所述燃烧器供给的所述燃料的流动相关地将所述第一加热器配设在所述燃烧器的上游。
8.根据权利要求7所述的燃烧系统的控制方法，其中，
所述第一加热器具备电加热器，将由所述电加热器产生的热供给至所述催化剂。
9.根据权利要求8所述的燃烧系统的控制方法，其中，
所述第一加热器具有接受来自所述电加热器的热的流路壁面，在所述流路壁面上具备促进所述燃料的燃烧反应的催化剂。
10.根据权利要求8或9所述的燃烧系统的控制方法，其中，
在所述规定时期，在使所述燃料的流量增大与所述停止前的所述第一加热器的输出相应的流量的情况下，基于对所述电加热器施加的电压和流过所述电加热器的电流中的至少一方来计算所述第一加热器的输出。
11.根据权利要求7所述的燃烧系统的控制方法，其中，
所述第一加热器具备扩散燃烧器，将由所述扩散燃烧器产生的热供给至所述催化剂。
12.根据权利要求1或2所述的燃烧系统的控制方法，其中，
还具备第二加热器，所述第二加热器被配设为能够接受由所述燃烧器生成的燃烧气体的供给，并将该燃烧气体所具有的热供给至所述燃烧器的催化剂。
13.根据权利要求1或2所述的燃烧系统的控制方法，其中，
所述燃烧系统被设置于具备燃料电池的发电系统，
所述燃烧器构成为能够通过由该燃烧器生成的燃烧气体来对所述燃料电池进行加热或进行暖机。
14.一种燃烧系统的控制方法，用于控制所述燃烧系统的燃烧器中的燃料的燃烧状态，所述燃烧系统具备：
所述燃烧器，其具备促进所述燃料的燃烧反应的催化剂；以及
第一加热器，其被配设为能够对所述催化剂供给热，
在所述燃烧系统的控制方法中，
向所述燃烧器供给氧化剂气体，
在开始向所述燃烧器供给所述燃料之后，一边由所述第一加热器对所述催化剂供给热，一边使向所述燃烧器供给的所述燃料的流量增大，
在所述燃烧器中的所述燃料开始燃烧后的规定时期，使所述第一加热器停止，并且使所述燃料的流量增大与该停止前的所述第一加热器的输出相应的流量，
所述规定时期是与所述第一加热器停止前的所述燃料的流量相应的发热量大于所述增大后的流量的所述燃料的气化潜热的时期。
15.一种燃烧系统的控制方法，用于控制所述燃烧系统的燃烧器中的燃料的燃烧状态，所述燃烧系统具备：
所述燃烧器，其具备促进所述燃料的燃烧反应的催化剂；以及
第一加热器，其被配设为能够对所述催化剂供给热，
在所述燃烧系统的控制方法中，
一边由所述第一加热器对所述催化剂供给热，一边向所述燃烧器供给所述燃料和氧化剂气体，
在开始向所述燃烧器供给所述燃料后的规定时期，使所述第一加热器停止，并且使向所述燃烧器供给的所述燃料的流量相比于在所述第一加热器停止前向所述燃烧器供给的所述燃料的流量增大，
在使所述燃料的流量增大时，使所述燃料的流量以在所述第一加热器停止后也能够将所述催化剂维持为所述催化剂的起燃温度以上的温度的流量增加率来进行增大。
16.一种燃烧系统，具备：
燃烧器，其具备促进燃料的燃烧反应的催化剂；
第一加热器，其以能够对所述催化剂供给热的方式与所述燃烧器连接；
燃料供给部，其构成为能够向所述燃烧器供给所述燃料；
氧化剂气体供给部，其构成为能够向所述燃烧器供给氧化剂气体；以及
控制器，其对所述第一加热器、所述燃料供给部以及所述氧化剂气体供给部的动作进行控制，
其中，所述控制器在所述燃烧器运转时进行以下处理：
在使所述第一加热器工作来通过所述第一加热器对所述催化剂供给热的第一阶段和使所述第一加热器停止的第二阶段这两个阶段中，向所述燃烧器供给所述燃料和所述氧化剂气体；
在所述第一阶段中，针对所述催化剂的温度的上升，使所述燃料的发热量相对于所述第一加热器的输出的比率增大；以及
在所述第二阶段中，使向所述燃烧器供给的所述燃料的流量相比于所述第一阶段中的向所述燃烧器供给的所述燃料的流量增大，
所述控制器还进行以下处理：
在所述第一阶段中，判定是否处于所述燃料的发热量成为能够使所述增大后的流量的所述燃料升温到所述催化剂的起燃温度的热量以上的规定时期；以及
在判定为处于所述规定时期的情况下，转移到所述第二阶段。
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