(57)【要約】  燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給装置を備える燃料電池システムの制御方法は、燃料電池に要求される負荷に基づいて、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを制御して前記燃料電池を発電させる発電運転を実施する発電運転ステップを含む。さらに、この制御方法は、負荷が所定の値以下となった場合には、燃料電池の自立運転を実施する自立運転ステップを含み、自立運転では、燃料電池システムから負荷への電力供給を停止し、燃料電池のアノードに燃料ガスを通す。
2017110374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給装置を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池に要求される負荷に基づいて、前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを制御して前記燃料電池を発電させる発電運転を実施する発電運転ステップと、
前記負荷が所定の値以下となった場合には、前記燃料電池の自立運転を実施する自立運転ステップと、を含み、
前記自立運転では、前記燃料電池システムから前記負荷への電力供給を停止し、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを通す、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記燃料電池システムから前記負荷への電力供給を停止するときに、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
請求項２に記載の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は、前記燃料電池のアノードから排出されるガスを燃やして前記燃料電池に供給される燃料ガスを加熱する燃焼器をさらに含み、
前記自立運転ステップは、前記アノードに所定量の燃料ガスを供給し、前記燃焼器に酸化剤ガスを供給する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記燃料電池システムから前記負荷への電力供給を停止した後、前記燃焼器に供給される酸化剤ガスを特定の期間だけ増量する、
燃料電池システムの制御方法。
【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の制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記アノードに微量の燃料ガスを供給し又は前記アノードへの燃料ガスの供給を停止し、所定の期間になった場合に前記アノードに供給される燃料ガスを増量する、
燃料電池システムの制御方法。
【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の制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記負荷への電力供給を停止したときには、前記燃料電池の状態に応じて、前記アノードに供給される燃料ガスの流量を制御する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記燃料電池の電圧が、前記アノードの燃料ガス濃度が低下したことを示す所定の電圧よりも低下した場合に、前記アノードに供給される燃料ガスの流量を増加させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記所定の電圧は、前記アノードの酸素濃度の増加によって燃料ガス濃度が下がり、前記アノードが劣化することを示す電圧である、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記発電に必要とされる温度を確保するための所定の閾値よりも前記燃料電池の温度が低下した場合に、燃焼器に供給される燃料ガスの流量を増加させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記自立運転中に前記燃料電池の温度が低下した場合には、前記燃焼器に供給される酸化剤ガスの流量を減少させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記自立運転中に前記燃料電池の温度が低下した場合には、前記燃料ガスの流量の増加幅を大きくするとともに前記燃焼器に供給される酸化剤ガスの流量を増加させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
請求項１０又は請求項１１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記ガス供給装置は、
前記燃焼器によって加熱された燃料ガスを改質する改質器と、
前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを前記改質器に供給する制御弁と、を含み、
前記自立運転ステップは、前記自立運転中に前記燃料電池の温度が低下した場合には、前記制御弁により前記改質器に酸化剤ガスを供給する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
請求項１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の制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記負荷への電力供給を停止したときには、前記燃料電池のアノードから燃焼器に排出される未燃ガスを燃やす、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給装置と、
前記燃料電池から電力を取り出してバッテリ又はモータに供給する電力制御器と、
前記燃料電池に要求される負荷に基づいて前記燃料電池の発電運転を実施する制御部と、を含む燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記負荷が所定の値以下となった場合には、前記燃料電池システムから前記負荷への電力供給を停止し、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを通す、
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、燃料電池に接続された負荷への電力供給を停止したときに自立運転を実施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】
米国特許出願公開第２０１４／０１１３１６２号明細書には、緊急停止時における燃料電池のアノードの酸化を抑制するために、燃料電池スタックに所定の電圧を供給する燃料電池システムが開示されている。
【発明の概要】
【０００３】
上述のような燃料電池システムにおいて、バッテリや電動モータなどの負荷に対する電力供給が停止された状態、いわゆるアイドルストップ状態になったときには、燃料電池が発電に適した状態に維持されるように燃料電池の自立運転が実施される。例えば、自立運転においては、燃料の無駄な消費を抑えるためにアノードへの燃料の供給が停止される。
【０００４】
しかしながら、このような構成では、自立運転中に燃料電池においてカソードからアノードへと酸素が透過してくるため、アノード部分が酸化してしまうことがある。このように、燃料電池システムから負荷への電力供給が停止された状態では、燃料電池の発電性能が低下することが懸念される。
【０００５】
本発明は、このような問題点に着目してなされた。本発明の目的は、燃料電池の負荷に対する電力供給を停止した場合における燃料電池の発電性能の低下を抑制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を提供することにある。
【０００６】
本発明のある態様によれば、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給装置を備える燃料電池システムの制御方法は、前記燃料電池に要求される負荷に基づいて、前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを制御して前記燃料電池を発電させる発電運転を実施する発電運転ステップを含む。さらに、この制御方法は、前記負荷が所定の値以下となった場合には、前記燃料電池の自立運転を実施する自立運転ステップと、を含み、前記自立運転では、前記燃料電池システムから前記負荷への電力供給を停止し、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを通す。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】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の主要構成を示す構成図である。
【図２Ａ】図２Ａは、負荷装置のモータが停止状態であって燃料電池によりバッテリに電力を供給している状態を示す観念図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、モータが力行状態であって燃料電池及びバッテリによりモータに電力を供給している状態を示す観念図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、モータが力行又は回生状態であって燃料電池から負荷装置であるモータ及びバッテリへの電力供給を停止している状態を示す観念図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、モータが停止状態であってバッテリが満充電になっている状態を示す観念図である。
【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の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の第３実施形態における燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、燃料電池システムの制御方法で実行されるＩＳ運転中に燃料電池の応答性を確保するための応答性確保処理の内容を例示するフローチャートである。
【図７】図７は、本実施形態における燃料電池システムのＩＳ運転に関する制御手法の一例を示すタイムチャートである。
【図８Ａ】図８Ａは、ＩＳ運転中に燃料電池の温度を維持する機能構成の一例を示す説明図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、燃料電池の温度を上昇させる場合において燃焼器に供給される空気及び燃料の流量を示す流量テーブルの一例を示す観念図である。
【図９】図９は、本発明の第４実施形態における燃料電池の応答性確保処理を例示するフローチャートである。
【図１０】図１０は、本発明の第５実施形態における燃料電池システムの主要構成を示す構成図である。
【図１１】図１１は、本実施形態における燃料電池システムの起動運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、本発明の第６実施形態における燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、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。
【０００９】
（第１の実施形態）
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１０の主要構成を示す構成図である。
【００１０】
本実施形態の燃料電池システム１０は、固体酸化物型燃料電池システムであり、例えば、車両に搭載される負荷装置９０に対して電力を供給する電力供給システムである。
【００１１】
燃料電池システム１０は、負荷に応じて発電する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１にアノードガス（燃料ガス）を供給する燃料供給系統２と、燃料電池スタック１にカソードガス（酸化剤ガス）を供給する酸化剤供給系統３とを備える。さらに燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）及びカソードオフガス（酸化剤オフガス）を外部に排出する排気系統４を備える。また燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１から外部の負荷装置９０に電力を供給する電力供給系統５と、燃料電池システム１０における全体の動作を制御する制御部６とを備える。
【００１２】
燃料電池スタック１は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid oxide fuel Cell）である。燃料電池スタック１は、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層をアノード極（燃料極）とカソード極（空気極）とによって挟み込んで構成される複数のセルを積層したものである。なお、燃料電池スタック１のアノード極には、高温時に酸素と反応する材料が使用されており、この酸化反応によってアノード極の特性が悪くなり、燃料電池スタック全体の発電性能が低下してしまう。
【００１３】
燃料電池スタック１のアノード極には、改質器２６によって改質されたアノードガスが供給され、燃料電池スタック１のカソード極には、カソードガスとして酸素を含む空気が供給される。燃料電池スタック１の内部で、アノードガス中に含まれる水素と、カソードガス中に含まれる酸素とを反応させて発電が行われるとともに、反応後に生成されるアノードオフガスとカソードオフガスとが外部に排出される。
【００１４】
このため、燃料電池スタック１に形成されたアノード側のマニホールドには、アノードガスが通る通路を構成するアノードガス供給通路２２及びアノードガス排出通路２９が接続され、カソード側のマニホールドには、カソードガスが通る通路を構成するカソードガス供給通路３３及びカソードガス排出通路３９が接続される。
【００１５】
アノードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給する燃料通路であり、アノードガス排出通路２９は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスを排気燃焼器４０に導入する経路である。また、カソードガス供給通路３３は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する酸化剤通路であり、カソードガス排出通路３９は、燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガスを排気燃焼器４０に導入する経路である。
【００１６】
燃料供給系統２は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するガス供給装置である。燃料供給系統２は、燃料タンク２０と、ポンプ２１と、アノードガス供給通路２２と、アノード流量制御弁２３と、蒸発器２４と、熱交換器２５と、改質器２６とを含む。
【００１７】
燃料タンク２０は、燃料を含む液体を蓄えるものである。燃料タンク２０には、例えば、エタノールと水を混合させた液体からなる改質用燃料が蓄えられる。
【００１８】
ポンプ２１は、改質用燃料を吸引して一定の圧力で燃料供給系統２に改質用燃料を供給するものである。ポンプ２１と燃料電池スタック１との間は、アノードガス供給通路２２によって接続されている。アノードガス供給通路２２には、アノード流量制御弁２３、蒸発器２４、熱交換器２５、及び改質器２６が配置されている。
【００１９】
アノード流量制御弁２３は、ポンプ２１から供給される改質用燃料を不図示の噴射ノズルに供給することにより噴射ノズルから改質用燃料を蒸発器２４に噴射させるものである。
【００２０】
蒸発器２４は、排気燃焼器４０から排気される排ガスの熱を利用して改質用燃料を気化させるものである。
【００２１】
熱交換器２５は、排気燃焼器４０から熱が供給され、気化した改質用燃料を改質器２６において改質するためにさらに加熱するものである。
【００２２】
改質器２６は、触媒反応により改質用燃料を、水素を包含するアノードガスに改質して燃料電池スタック１のアノード極に供給するものである。本実施形態の改質器２６では、水蒸気を用いて燃料を改質する水蒸気改質を行う。水蒸気改質を行うには、改質用燃料に含まれる１モル（ｍｏｌ）の炭素（Ｃ）に対して２モルの水蒸気（Ｓ）が少なくとも必要となる。また、改質器２６では、水蒸気改質に必要となる水蒸気が不足するような状況では、水蒸気の代わりに空気を用いて燃料を燃やしながら改質する部分酸化改質が行われる。
【００２３】
改質器２６と燃料電池スタック１との間に位置するアノードガス供給通路２２には、温度センサ６１が設けられている。
【００２４】
温度センサ６１は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの温度を検出する。温度センサ６１の検出値は、以下では「アノード入口温度」という。温度センサ６１で検出されたアノード入口温度は、制御部６に出力される。
【００２５】
酸化剤供給系統３は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するガス供給装置である。
【００２６】
酸化剤供給系統３は、フィルタ３０と、空気吸入通路３１と、コンプレッサ３２と、カソードガス供給通路３３と、カソード流量制御弁３４と、加熱装置３５と、改質温度制御空気通路３１１と、燃焼器空気制御弁３１２とを含む。さらに、酸化剤供給系統３は、酸化改質通路３３１とアノード系空気供給弁３４１とを含む。
【００２７】
フィルタ３０は、外気の異物を除去してその外気を燃料電池システム１０の内部に導入するものである。
【００２８】
空気吸入通路３１は、フィルタ３０によって異物が除去された空気をコンプレッサ３２に通す通路である。空気吸入通路３１の一端はフィルタ３０に接続されるとともに、他端はコンプレッサ３２の吸入口に接続される。
【００２９】
コンプレッサ３２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するアクチュエータである。本実施形態では、コンプレッサ３２は、フィルタ３０を通じて外気を取り入れて空気を燃料電池スタック１等に供給する。なお、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するアクチュエータとして、本実施形態では空気を圧送するコンプレッサが用いられているが、燃料電池スタック１にカソードガスを供給可能な装置であればよく、送風機やポンプなどのアクチュエータであってもよい。
【００３０】
カソード流量制御弁３４は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を制御する制御弁である。例えば、カソード流量制御弁３４は、電磁弁によって構成される。カソード流量制御弁３４の開度は、段階的に変更可能であり、制御部６によって制御される。
【００３１】
加熱装置３５は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスを、そのカソードガスの温度が燃料電池スタック１の発電に適した温度となるように加熱する装置である。例えば、加熱装置３５は、燃料電池スタック１のカソードへの供給ガスと燃料電池スタック１からの排出ガスとの間で熱を交換する熱交換器や、燃料ガスを燃やして供給ガスを加熱する燃焼器、触媒反応の熱を利用して供給ガスを加熱する燃焼器などによって構成される。
【００３２】
燃焼器空気供給通路３３２は、燃料電池スタック１をバイパスして排気燃焼器４０に空気を供給するための通路である。燃焼器空気供給通路３３２は、カソードガス供給通路３３から分岐して排気燃焼器４０に接続されるバイパス通路である。なお、本実施形態では、燃焼器空気供給通路３３２は、排気燃焼器４０に対して接続されているが、カソードガス排出通路３９に合流するものであってもよい。
【００３３】
空気流量制御弁３４２は、排気燃焼器４０に供給される空気の流量を制御する制御弁である。空気流量制御弁３４２の開度は、制御部６によって制御される。排気燃焼器４０は、燃料ガスを燃やして加熱するものであるので酸素が必要である。燃料電池システム１０の起動運転時や発電運転時においてはカソードオフガス中の酸素が不足する場合がある。このような場合にはアノードオフガスを十分に燃焼させることが困難となるので、空気流量制御弁３４２を開いて排気燃焼器４０に燃焼促進ガス（酸素）を供給する。これにより、燃料電池システム１０の起動運転時及び発電運転時にアノードオフガス中の未燃ガスを排気燃焼器４０で確実に燃焼させることができる。
【００３４】
酸化改質通路３３１は、改質器２６における水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足するような場合に水蒸気の代用として空気を改質器２６に補充するために設けられた空気通路である。酸化改質通路３３１は、カソードガス供給通路３３から分岐して改質器２６よりも上流のアノードガス供給通路２２に合流する分岐通路である。本実施形態では、酸化改質通路３３１の一端は、コンプレッサ３２とカソード流量制御弁３４との間に接続されるとともに、他端は、蒸発器２４と熱交換器２５との間に位置するアノードガス供給通路２２に対して接続される。
【００３５】
アノード系空気供給弁３４１は、コンプレッサ３２からカソードガス供給通路３３に吐出される空気の全部又は一部をアノードガス供給通路２２に供給する制御弁である。本実施形態では、アノード系空気供給弁３４１は、改質器２６で行われる改質に必要となる水蒸気の代用として空気をアノードガス供給通路２２に供給する。アノード系空気供給弁３４１は、例えば電磁弁により構成される。アノード系空気供給弁３４１の開度は、段階的に変更可能であり、制御部６によって制御される。
【００３６】
排気系統４は、アノードガス排出通路２９と、カソードガス排出通路３９と、排気燃焼器４０と、排気通路４１とを含む。
【００３７】
燃料電池スタック１と排気燃焼器４０との間に位置するアノードガス排出通路２９には、温度センサ６２が設けられている。温度センサ６２は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスの温度を検出する。温度センサ６２の検出値は、以下では「アノード出口温度」という。温度センサ６２で検出されたアノード出口温度は、制御部６に出力される。
【００３８】
排気燃焼器４０は、アノードオフガスとカソードオフガスを混合してその混合ガスを触媒燃焼させることにより、二酸化炭素や水を主成分とする排出ガスを生成するとともに、触媒燃焼による熱を熱交換器２５に伝達するものである。排気燃焼器４０は、燃焼後に生じる燃焼後ガスを排気通路４１に排出する。
【００３９】
排気通路４１は、排気燃焼器４０からの燃焼後ガスを外気に排出する通路である。排気通路４１は、蒸発器２４を通過し、不図示のマフラに接続される。これにより、蒸発器２４は、排気燃焼器４０からの燃焼後ガスによって加熱されることになる。
【００４０】
排気燃焼器４０と蒸発器２４との間に位置する排気通路４１には、温度センサ６３が設けられている。温度センサ６３は、排気燃焼器４０から排出される排出ガス（燃焼後ガス）の温度を検出する。温度センサ６３の検出値は、以下では「燃焼器出口温度」という。温度センサ６３で検出された燃焼器出口温度は、制御部６に出力される。
【００４１】
電力供給系統５は、燃料電池スタック１と負荷装置９０との間に接続され、負荷装置９０の電圧に対し、燃料電池スタック１が電流を供給できるように燃料電池スタック１の電圧を昇圧することで、燃料電池スタック１から負荷装置９０に電力が供給できるようにする電力供給装置である。電力供給系統５は、電圧センサ５０とＤＣ-ＤＣコンバータ５１とを含む。
【００４２】
電圧センサ５０は、燃料電池スタック１の正極端子と負極端子と間に接続される。電圧センサ５０は、燃料電池スタック１に生じる電圧を検出する。電圧センサ５０の検出値は、以下では「スタック電圧」という。電圧センサ５０で検出されたスタック電圧は、制御部６に出力される。
【００４３】
ＤＣ-ＤＣコンバータ５１は、燃料電池スタック１から発電電力を取り出す電力制御器である。ＤＣ-ＤＣコンバータ５１は、燃料電池スタック１に並列に接続され、１次側の燃料電池スタック１の出力電圧を昇圧して２次側の負荷装置９０に発電電力を供給する。ＤＣ-ＤＣコンバータ５１は、例えば、負荷装置９０に電力が供給されるように、燃料電池スタック１から出力される数十Ｖの電圧を、数百Ｖの電圧レベルまで上昇させる。
【００４４】
負荷装置９０は、燃料電池システム１０に接続される電気負荷であり、例えば、車両に搭載される電気部品である。負荷装置９０は、駆動モータ９１及びバッテリ９２を含む。
【００４５】
駆動モータ９１は、不図示のインバータを介してバッテリ９２とＤＣ-ＤＣコンバータ５１とにそれぞれ接続される。駆動モータ９１は、車両を駆動する動力源である。また、駆動モータ９１は、車両を制動する場合に必要となる制動力を用いて回生電力を発生させ、この回生電力をバッテリ９２に充電させることができる。
【００４６】
バッテリ９２は、蓄えられた電力を駆動モータ９１に供給する電力供給源である。本実施形態では、バッテリ９２がメインの電力供給源であり、燃料電池スタック１は、バッテリ９２の充電量が低くなったときに、バッテリ９２を充電するために主に用いられる。また、燃料電池スタック１の電力は駆動モータ９１に供給されてもよい。
【００４７】
制御部６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１０を制御するための処理を実行する。
【００４８】
制御部６は、電圧センサ５０や温度センサ６１〜６３などの各種センサから出力される信号を受信し、これらの信号に応じて、燃料供給系統２、酸化剤供給系統３、排気系統４、及び電力供給系統５の各々の作動状態を制御する。
【００４９】
制御部６には、燃料電池システム１０の起動指令信号又は停止指令信号を出力する操作部１０１が接続されている。操作部１０１は、ＥＶキーを含み、乗員によりＥＶキーがＯＮに操作されると起動指令信号を制御部６に出力し、ＥＶキーがＯＦＦに操作されると停止指令信号を制御部６に出力する。
【００５０】
制御部６は、操作部１０１から起動指令信号を受信した場合には、燃料電池システム１０を起動させる起動運転を実施し、起動運転終了後は、負荷装置９０の作動状態に応じて燃料電池スタック１の発電を制御する発電運転を実施する。なお、燃料電池システム１０は、バッテリ９２の充電量がバッテリ９２に充電が必要となる所定値以下となっときに、起動運転を実施してもよい。
【００５１】
発電運転では、制御部６は、負荷装置９０の作動状態に応じて燃料電池スタック１に要求される電力を求め、その要求電力に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要となるカソードガス流量及びアノードガス流量を燃料電池スタック１に供給する。そして、制御部６は、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１をスイッチング制御して燃料電池システム１０から出力される電力を負荷装置９０に供給する。
【００５２】
すなわち、制御部６は、燃料電池スタック１に対する要求電力に基づいて燃料電池スタック１に供給されるカソードガス流量及びアノードガス流量を制御して燃料電池スタック１の発電量を制御する。例えば、燃料電池スタック１に対する要求電力は、アクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど大きくなる。このため、アクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど、燃料電池スタック１に供給されるカソードガス流量及びアノードガス流量は大きくなる。
【００５３】
また、ＥＶキーがＯＮ状態で燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給が停止されたシステム状態においては、制御部６は、燃料電池スタック１の発電を抑制するとともに燃料電池を発電に適した状態に維持する自立運転を実施する。以下では、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給が停止されたシステム状態のことを「アイドルストップ（ＩＳ）状態」と称し、自立運転のことを「ＩＳ運転」と称する。
【００５４】
燃料電池スタック１に対する要求電力が所定の値、例えばゼロになった場合に燃料電池システム１０の運転状態が発電運転からＩＳ運転に遷移し、制御部６がＤＣ-ＤＣコンバータ５１を制御して燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を停止する。
【００５５】
なお、ＩＳ運転中は、燃料電池スタック１を発電させるのに必要な付属機器である補機に対して、燃料電池スタック１の発電電力を供給してもよいし、燃料電池スタック１から補機への電力供給を停止するようにしてもよい。燃料電池システム１０の補機としては、例えばコンプレッサ３２が挙げられる。
【００５６】
ＩＳ運転中に燃料電池スタック１から補機に電力を供給するようなシステムでは、例えば、燃料電池スタック１に対する要求電力が、当該補機の駆動に必要な電力の値、又は実測値以下になった場合に、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を停止する。
【００５７】
また、操作部１０１から停止指令信号を受信した場合には、制御部６は、燃料電池システム１０の作動を停止させる停止運転を実施する。
【００５８】
図２は、ＥＶキーがＯＮ状態の燃料電池システム１０における負荷装置９０への電力供給の類型を説明する図である。
【００５９】
図２Ａは、駆動モータ９１が停止状態であって燃料電池システム１０からバッテリ９２に電力を供給している状態を示す観念図である。図２Ａに示した状態は、車両が停止状態であり、かつ、バッテリ９２の充電量が少ないような場合に起り得る。
【００６０】
図２Ｂは、駆動モータ９１が力行状態であって燃料電池システム１０及びバッテリ９２の両者から駆動モータ９１に電力を供給している状態を示す観念図である。図２Ｂに示した状態は、車両が加速状態であり、駆動モータ９１の負荷（出力）が高い状態で駆動しているような場合に起り得る。
【００６１】
図２Ｃは、駆動モータ９１が力行状態又は回生状態であって燃料電池システム１０から駆動モータ９１及びバッテリ９２の両者への電力供給を停止している状態を示す観念図である。図２Ｃに示した状態は、車両の走行中に駆動モータ９１が低負荷又は中負荷で駆動しているような状態であり、かつ、バッテリ９２が満充電となっている場合に起り得る。また、車両が減速状態であり、かつ、バッテリ９２の容量に駆動モータ９１の回生電力を充電する余裕がある場合にも起り得る。
【００６２】
図２Ｄは、駆動モータ９１が停止状態であってバッテリ９２が満充電になっている状態を示す観念図である。図２Ｄに示した状態は、車両が停止状態であり、かつ、バッテリ９２が満充電となっている場合に起り得る。
【００６３】
このように、図２Ａ〜図２Ｄに示した状態のうち、図２Ｃ及び図２Ｄに示した状態、すなわち燃料電池システム１０から駆動モータ９１及びバッテリ９２の両者への電力供給が停止されたシステム状態が燃料電池システム１０のＩＳ状態に該当する。
【００６４】
したがって、車両の走行中に駆動モータ９１の回生動作によってバッテリ９２が満充電になった場合や、バッテリ９２が満充電状態で車両が走行又は停止している場合などに、燃料電池システム１０がＩＳ状態になり得る。このような場合には、負荷装置９０から燃料電池スタック１への要求電力はゼロとなり、ＩＳ運転が実施される。
【００６５】
ＩＳ運転中は、通常、燃料の無駄な消費を抑制するために燃料電池スタック１へのアノードの供給を停止することが望ましい。しかしながら、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を停止すると、時間が経過するにつれて燃料電池スタック１においてカソード極からアノード極へと空気が透過してくる。このような状況では、透過してきた空気中の酸素によってアノード極で酸化反応が起こり、燃料電池システム１０の発電性能が低下してしまう。
【００６６】
この対策として、本実施形態の制御部６は、発電運転からＩＳ運転に切り替えるときに、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を停止し、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を継続する。これにより、ＩＳ運転中に燃料電池スタック１のカソード極からアノード極への空気の流入が抑えられるので、アノード極で生じる酸化反応を抑制することができる。
【００６７】
次に、本実施形態における燃料電池システム１０の動作を具体的に説明する。
【００６８】
図３は、本実施形態における燃料電池システム１０の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【００６９】
ステップＳ９１０において制御部６は、燃料電池スタック１に対する要求電力に基づいて、燃料電池スタック１の発電を制御するとともに燃料電池システム１０から負荷装置９０に電力を供給する発電運転を実施する。
【００７０】
例えば、制御部６は、負荷装置９０の要求電力に基づき、予め定められたマップや演算式などを用いて燃料電池スタック１の発電に必要となるカソードガス流量及びアノードガス流量の各目標値を算出する。
【００７１】
そして、制御部６は、カソードガス流量の目標値に基づいてコンプレッサ３２を駆動するとともにカソード流量制御弁３４を開く。これにより、カソードガスとしての空気が加熱装置３５によって昇温され、昇温された燃料電池スタック１のカソード極に供給される。これと共に、制御部６は、アノードガス流量の目標値に基づいてポンプ２１を駆動するとともにアノード流量制御弁２３を開く。これにより、燃料タンク２０から供給された改質用燃料が蒸発器２４によって気化され、気化した改質用燃料が熱交換器２５によって加熱される。加熱された改質用燃料が改質器２６においてアノードガスに改質され、このアノードガスが燃料電池スタック１に供給される。
【００７２】
そして、アノードガスとカソードガスが供給された燃料電池スタック１では電気化学反応により電力が発生してＤＣ-ＤＣコンバータ５１に電力を供給するとともに、電気化学反応に使用されたアノードオフガスとカソードオフガスは排気燃焼器４０に導入される。
【００７３】
さらに、制御部６は、燃料電池スタック１の温度に基づいて、燃料電池スタック１が発電に適した温度に維持されるように、空気流量制御弁３４２及び燃料流量制御弁２３１の開度を制御する。これにより、排気燃焼器４０で生じる燃焼熱によってアノードガスの温度が上昇するので燃料電池スタック１が加熱される。また、制御部６は、改質器２６に供給される燃料ガス中の水蒸気が不足するような状況ではアノード系空気供給弁３４１を開く。これにより、アノード系空気供給弁３４１から改質器２６へ空気が供給されるので、部分酸化反応によって改質用燃料がアノードガスに改質される。
【００７４】
ステップＳ９２０において制御部６は、負荷装置９０からＩＳ運転要求を受けたか否かを判断する。ＩＳ運転要求は、例えば、バッテリ９２が満充電になった時に発行される。すなわち、負荷装置９０の要求電力がゼロになった場合にＩＳ運転要求が発行される。ＩＳ運転要求を受けていない場合には、制御部６は燃料電池システム１０の制御方法の処理手順を終了する。
【００７５】
ステップＳ９２１において制御部６は、ＩＳ運転要求を受けた場合には燃料電池システム１０のＩＳ運転を開始し、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１の動作を制御して燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を停止する。
【００７６】
ステップＳ９３０において制御部６は、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を停止した後、燃料電池スタック１に所定量のアノードガスを供給する。
【００７７】
ここにいう所定量は、燃料電池スタック１におけるカソード極からアノード極への酸素の流入が抑制されるように定められる。例えば、想定されるＩＳ運転の継続時間を考慮してあらかじめ継続時間を決定しておき、その継続時間においてアノード極への酸素の流入が抑えられるように所定量が設定される。この場合には制御部６は、所定の継続時間が経過するたびに燃料電池スタック１へのアノードガス供給流量を一時的に所定量よりも増やすようにしてもよい。あるいは、制御部６は、カソードガス流量及びアノードガス流量の各目標値に基づいてアノード極への酸素流入量を演算し、その酸素流入量に基づいて所定量を変更するようにしてもよい。
【００７８】
ステップＳ９２９において制御部６は、負荷装置９０から復帰要求を受けたか否かを判断する。復帰要求は、例えば、バッテリ９２に対して充電が必要になった場合や、駆動モータ９１への電力供給が不足するおそれがある場合などに発行される。すなわち、負荷装置９０の要求電力がゼロよりも大きくなった場合に復帰要求が発行される。
【００７９】
制御部６は、復帰要求を受けていないときにはステップＳ９３０に戻り、負荷装置９０から復帰要求を受けるまでステップＳ９３０の処理を繰り返し実行する。一方、制御部６は、復帰要求を受けたときにはＩＳ運転を終了して本制御方法の処理手順を終了する。これにより、燃料電池システム１０の運転状態がＩＳ運転から発電運転に遷移し、次回の制御周期においてステップＳ９１０で発電運転が実施される。
【００８０】
このように、制御部６は、燃料電池システム１０のＩＳ運転を実施するときには、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を停止した後、燃料電池スタック１にアノードガスを継続して供給する。
【００８１】
なお、本実施形態ではステップＳ９２１の処理を実行した後にステップＳ９３０の処理を実行したが、これらの処理については同時に実行してもよいし、ステップＳ９３０の処理を実行した後にステップＳ９２１の処理を実行するようにしてもよい。
【００８２】
また、本実施形態では、制御部６はステップＳ９２９の処理後に改質器２６の内部や燃料電池スタック１のアノード側に滞留する未燃ガスを排気燃焼器４０で燃やしてから発電運転に遷移してもよい。
【００８３】
また、燃料電池システム１０のＩＳ運転を実施するときには燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を継続してもよいし、停止してもよい。すなわち、本実施形態では、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給状態に関わらず、燃料電池スタック１にアノードガスを通過させる。なお、カソードガスの供給を停止するような場合は、燃料電池スタック１を通過するアノードガスを排気燃焼器４０で適切に燃焼できるように、燃焼器空気供給通路３３２を通じて空気を供給することが好ましい。
【００８４】
第１実施形態によれば、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料供給系統２及び酸化剤供給系統３を備える。この燃料電池システム１０の制御方法は、燃料電池スタック１に要求される負荷に基づいて燃料電池スタック１を発電させる発電運転を実施する発電運転ステップと、その負荷が所定の値以下となった場合に燃料電池スタック１の発電を抑制して燃料電池スタック１の状態を維持するＩＳ運転（自立運転）を実施する自立運転ステップとを含む。
【００８５】
発電運転を実施するときには、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給して燃料電池スタック１の発電を制御するとともに燃料電池システム１０から負荷装置９０に電力を供給する。そして発電運転からＩＳ運転に切り替えられるときには、燃料電池システム１０は、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を停止し、燃料電池スタック１のアノード極にアノードガスを供給する。
【００８６】
このようにＩＳ運転中に燃料電池スタック１にアノードガスを供給することで、燃料電池スタック１のカソード極からアノード極への酸素の流入と、排気燃焼器４０からアノード極への酸素の逆流とを同時に抑制することができる。このため、ＩＳ運転中における燃料電池スタック１のアノード極での酸化反応が抑制されるので、燃料電池スタック１の発電性能の低下を抑制することができる。
【００８７】
これに加えて、本実施形態によれば、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを排気燃焼器４０で燃焼させることが可能となり、燃料電池スタック１を加熱するための排気燃焼器４０の温度を維持することができる。このため、ＩＳ運転から発電運転に復帰したときに燃料電池スタック１の温度を発電に適した作動温度まで上昇させるのに要する時間を短くすることができる。すなわち、燃料電池スタック１の次回発電時における応答性の低下を抑制することができる。
【００８８】
このように、ＩＳ運転中においてアノードガスを燃料電池スタック１のアノード極に通すことで、燃料電池スタック１の劣化、及び応答性の低下を同時に解消することができるため、ＩＳ運転中における燃料電池スタック１の発電性能の低下を抑制することができる。
【００８９】
また、本実施形態によれば、制御部６は、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を停止した状態において、例えば、発電運転や停止運転などに復帰する場合に燃料電池スタック１のアノード極から排気燃焼器４０に排出される未燃ガスを燃やす。これにより、ＩＳ運転から復帰したときに燃料電池システム１０から大気へ排出される未燃ガスの排出量を低減することができる。
【００９０】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態における燃料電池システム１０の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【００９１】
本実施形態の燃料電池システム１０の構成は、図１に示した燃料電池システム１０の構成と同じである。以下では、図１に示した燃料電池システム１０の構成と同じ構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００９２】
本実施形態の制御方法は、図３に示したステップＳ９３０に代えてステップＳ９３１〜３３を備えている。ここではステップＳ９３１、Ｓ９３２、Ｓ９３３の各々の処理についてのみ詳細に説明する。
【００９３】
ステップＳ９２１で燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給が停止されると、ステップＳ９３１の処理に進む。
【００９４】
ステップＳ９３１において制御部６は、燃料の消費を抑制するために、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を停止する。本実施形態では、制御部６は、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止されるように、アノード流量制御弁２３を閉じる。
【００９５】
ステップＳ９３２において制御部６は、燃料電池スタック１の状態に応じて、燃料電池スタック１の発電性能が低下するか否かを判断する。燃料電池スタック１の状態を示すパラメータとしては、例えば、燃料電池スタック１の温度や、アノード極への酸素流入量などが挙げられる。
【００９６】
本実施形態では、制御部６は、電圧センサ５０からスタック電圧を取得し、そのスタック電圧が酸化抑制閾値Ｖｔｈよりも低下したか否かを判断する。燃料電池スタック１においてカソード極からアノード極にリークする酸素の量が多くなるほど、アノードガス中の水素濃度が下がり、燃料電池スタック１の出力電圧は低くなる。このような性質を利用することにより、カソード極からアノード極への酸素の流入量を把握することができる。
【００９７】
このように、酸化抑制閾値Ｖｔｈは、燃料電池スタック１のアノード極における酸素濃度の増加によって水素濃度が下がり、アノード極が劣化することを示す電圧値である。すなわち、酸化抑制閾値Ｖｔｈは、燃料電池スタック１におけるアノード極の燃料ガス濃度が低下したことを示す所定の電圧値である。酸化抑制閾値Ｖｔｈは、例えば、実験データやシミュレーション等を通じて、燃料電池スタック１の発電性能が低下しない範囲内の電圧値に予め設定される。
【００９８】
制御部６は、スタック電圧が酸化抑制閾値Ｖｔｈに対して等しい又は高い場合には、アノード極の酸化反応は進んでいないと判定し、ステップＳ９２９の処理に進む。
【００９９】
ステップＳ９３３において制御部６は、スタック電圧が酸化抑制閾値Ｖｔｈに対して低い場合には、燃料電池スタック１にアノードガスを供給することにより、アノードガス供給量を増加させる。
【０１００】
本実施形態では、制御部６は、燃料電池スタック１にアノードガスが流れるように、アノード流量制御弁２３を開く。これにより、アノード極にリークしてきた酸素を押し出すことができるので、スタック電圧を上昇させることができる。
【０１０１】
スタック電圧が酸化抑制閾値Ｖｔｈよりも高い所定の目標値まで高くなると、制御部６は、アノード流量制御弁２３を閉じる。これにより、燃料電池システム１０における燃料の消費を抑制することができる。なお、本実施形態ではスタック電圧が目標値まで上昇した時にアノード流量制御弁２３を閉じたが、アノードガス供給を開始してからの経過時間が予め定められた期間になった場合にアノード流量制御弁２３を閉じるようにしてもよい。
【０１０２】
ステップＳ９２９で負荷装置９０から未だに復帰要求を受けていない場合には、ステップＳ９３２の処理に戻り、スタック電圧が酸化抑制閾値Ｖｔｈよりも低下した場合に燃料電池スタック１にアノードガスを供給する。すなわち、制御部６は、ＩＳ運転中に間欠的に燃料電池スタック１にアノードガスを供給する。
【０１０３】
そしてステップＳ９２９で復帰要求を受けた場合にはアノードガスの間欠供給を停止してＩＳ運転を終了する。
【０１０４】
第２実施形態によれば、制御部６は、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を停止した後、所定の期間になった場合に燃料電池スタック１に供給されるアノードガスを増量させる。これにより、燃料の消費を抑制しつつ、燃料電池スタック１におけるアノード極の酸化を抑制することができる。
【０１０５】
本実施形態では、制御部６は、負荷装置９０への電力供給を停止したときに、スタック電圧（燃料電池スタック１の電圧）に基づいて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの流量を制御する。これにより、経過時間の長さに従ってアノードガス供給流量を増加させる構成に比べて、的確にアノードガスが燃料電池スタック１に供給されることになるので、燃費の消費を抑えながら適切にアノード極の酸化を抑制することができる。
【０１０６】
また、本実施形態によれば、制御部６は、スタック電圧が、燃料電池スタック１のアノード極における燃料ガス濃度が低下したことを示す所定の電圧値（酸化抑制閾値）Ｖｔｈよりも低下した場合に、アノード極に供給される燃料ガスの流量を増加させる。ここにいう所定の電圧値Ｖｔｈは、燃料電池スタック１におけるアノード極の酸素濃度の増加によって水素濃度が下がり、前記アノードが劣化することを示す電圧値である。
【０１０７】
このようにスタック電圧に応じてアノード極への燃料ガスの供給又は増量をすることにより、アノード極における燃料ガス濃度が低下したときにアノード流量制御弁２３から改質器２６を経由してアノード極に燃料ガスが供給されるので、無用な燃料の噴射を抑制しつつアノード極の酸化を抑制することができる。
【０１０８】
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態における燃料電池システム１０の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【０１０９】
本実施形態の制御方法は、図４に示した制御方法の各処理に加えて新たにステップＳ９２２、Ｓ９２３、及びＳ９４０を備えるとともに、ステップＳ９３１に代えてステップＳ９３０ａを備えている。ここではステップＳ９２２、Ｓ９２３、Ｓ９３０ａ及びＳ９４０の各々の処理についてのみ詳細に説明する。
【０１１０】
ステップＳ９２２において制御部６は、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給が停止された状態で燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を停止する。本実施形態では、制御部６は、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を停止したときにカソード流量制御弁３４を閉じる。これにより、燃料電池スタック１の発電が停止するので、無用な発電が抑制されてアノードガスの無用な消費を削減することができる。
【０１１１】
また、カソード極への空気供給を停止することにより、燃料電池スタック１におけるカソード極の圧力が低下するので、カソード極からアノード極への酸素の流入を抑制することができる。これに加えて、燃料電池スタック１における内部の熱が空気によって外部に排出されなくなるので、燃料電池スタック１の温度低下を抑制することができる。
【０１１２】
ステップＳ９２３において制御部６は、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を停止した後、排気燃焼器４０の温度が燃焼に適した作動温度よりも下がり過ぎない範囲で排気燃焼器４０に空気を供給する。本実施形態では、制御部６は、コンプレッサ３２の駆動を継続するとともに燃焼器空気供給通路３３２の空気流量制御弁３４２を開く。空気流量制御弁３４２の開度は、排気燃焼器４０への空気流量が燃料電池スタック１からのアノードオフガスの燃焼に必要な流量となるように設定される。
【０１１３】
このように排気燃焼器４０に空気を供給することにより、燃料電池スタック１のアノード極から排出される未燃ガスを排気燃焼器４０で燃焼させることができ、燃料電池システム１０から大気への未燃ガスの排出を抑制することができる。さらに、排気燃焼器４０での未燃ガスの燃焼によって改質用燃料の温度が上昇し、これに伴って改質用燃料がアノードガスに改質されるとともにアノードガスの温度が上昇するので、燃料電池スタック１の温度低下を抑制することができる。
【０１１４】
ステップＳ９３０ａにおいて制御部６は、燃料電池スタック１に微量のアノードガスを供給する。本実施形態では、制御部６は、燃料電池スタック１へのアノードガス供給流量が発電運転時の流量よりも小さくなるようにアノード流量制御弁２３を開く。
【０１１５】
このように微量のアノードガスをアノード極に流すことにより、アノード極への酸素の流入が抑制され、スタック電圧が酸化抑制閾値Ｖｔｈまで低下するのに要する時間が長くなるので、アノードガス供給流量を増加させる機会を減らすことができる。したがって、アノード極の酸化を抑制しつつ、燃費を向上させることができる。
【０１１６】
ステップＳ９４０において、スタック電圧が酸化抑制閾値Ｖｔｈに対して等しい又は高い場合には、制御部６は、燃料電池スタック１における次回発電時の応答性を確保するためのスタック応答性確保処理を実行する。なお、スタック応答性確保処理の詳細については次図を参照して説明する。
【０１１７】
ステップＳ９４０でスタック応答性確保処理が終了すると、復帰要求の有無を確認し、復帰要求が未だに発行されていない場合にはステップＳ９２３の処理に戻ってＩＳ運転を継続し、復帰要求が発行されたときにＩＳ運転を終了する。
【０１１８】
図６は、ステップＳ９４０において実行されるスタック応答性確保処理に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【０１１９】
ステップＳ９４１において制御部６は、燃料電池スタック１の温度が温度閾値Ｔｔｈよりも低いか否かを判断する。燃料電池スタック１の温度としては、例えば、温度センサ６１で検出されるアノード入口温度や、温度センサ６２で検出されたアノード出口温度などを使用することができる。あるいは、燃料電池スタック１に温度センサを設けてその温度センサの検出値を使用してもよい。燃料電池スタック１の温度のことを以下では単に「スタック温度」という。
【０１２０】
本実施形態では、制御部６は、温度センサ６１からアノード入口温度をスタック温度として取得し、そのスタック温度が温度閾値Ｔｔｈよりも低いか否かを判断する。スタック温度としてアノード入口温度を用いることにより、排気燃焼器４０の発熱量を精度よく特定することができる。また、温度閾値Ｔｔｈは、燃料電池スタック１の発電性能の温度特性に基づいて設定される。例えば、温度閾値Ｔｔｈは６００℃程度に設定される。
【０１２１】
温度閾値Ｔｔｈに対してスタック温度が等しい又は高い場合には、スタック応答性確保処理についての一連の処理手順を終了する。
【０１２２】
ステップＳ９４２において制御部６は、スタック温度が温度閾値Ｔｔｈよりも低下した場合には、排気燃焼器４０の燃焼量が増加するように、排気燃焼器４０への空気供給流量及び燃料供給流量を増加させる。これにより、排気燃焼器４０の温度が上昇して燃料電池スタック１へのアノードガスの温度が上昇するので、スタック温度が温度閾値Ｔｔｈよりも高くなり、燃料電池スタック１の発電に適した作動温度まで上昇する。
【０１２３】
ステップＳ９４２の処理が終了すると、制御部６は、スタック応答性確保処理を終了し、図５に示した制御方法の処理手順に戻ってステップＳ９２９の処理に進む。
【０１２４】
図７は、本実施形態におけるＩＳ運転の制御手法を示すタイムチャートである。
【０１２５】
図７（ａ）は、スタック温度の変化を示す図である。図７（ｂ）は、アノード極の水素動濃度と相関のあるスタック電圧の変化を示す図である。図７（ｃ）は、空気流量制御弁３４２によって排気燃焼器４０に供給される空気の流量の変化を示す図である。図７（ｄ）は、アノード流量制御弁２３によって燃料電池スタック１を通じて排気燃焼器４０に供給されるアノードガスの流量の変化を示す図である。図７（ａ）から図７（ｄ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。
【０１２６】
時刻ｔ０において、例えばバッテリ９２が満充電になって負荷装置９０からＩＳ運転要求が発行されたため、制御部６は、ＩＳ運転を開始し、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１を制御して燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を停止する。これにより、燃料電池スタック１から負荷装置９０に電流が流れなくなるので、図７（ｂ）に示すように、スタック電圧が上昇する。
【０１２７】
燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給が停止された状態で、制御部６は、アノード流量制御弁２３を全閉にせずに僅かに開く。これにより、図７（ｄ）に示すように、発電運転時におけるアノードガス供給流量よりも少ない微量のアノードガスが燃料電池スタック１のアノード極に流れる。燃料電池スタック１のアノード極にアノードガスを流すことにより、カソード極からアノード極への酸素の流入が抑制されるので、アノード極の酸化を抑制することができる。
【０１２８】
さらに制御部６は、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を停止したときに、カソード流量制御弁３４を閉じる。これにより、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給が停止されるので、燃料電池スタック１の発電が停止する。このため、発電に伴う燃料の消費を抑制することができる。また燃料電池スタック１におけるカソード極の圧力が低下するので、カソード極からアノード極への酸素の流入をより一層抑制することができる。
【０１２９】
また、制御部６は、カソード流量制御弁３４を閉じるときには、燃料電池スタック１をバイパスして排気燃焼器４０に空気を供給する空気流量制御弁３４２を開く。これにより、図７（ｃ）に示すように、排気燃焼器４０に空気が供給されるので、燃料電池スタック１を通じて排気燃焼器４０に排出されるアノードガスを適切に燃焼させることができる。アノードガスを燃焼することで、排気燃焼器４０の温度が上昇して微量のアノードガスの温度が上昇するので、燃料電池スタック１の温度低下を抑制することができる
【０１３０】
図７（ｃ）では、空気流量制御弁３４２から排気燃焼器４０への空気供給流量はアノードオフガスの燃焼に必要な流量よりも多くしている。このようにする理由は、時刻ｔ０以前は空気流量制御弁３４２が閉じられていたため、空気流量制御弁３４２の開弁後に空気流量制御弁３４２から排気燃焼器４０に空気が到達するまでにはある程度の時間を要するからである。
【０１３１】
このため、制御部６は、ＩＳ運転の開始時には、燃料電池スタック１を通過するアノードガスを燃焼させるのに十分な空気流量Ｑａｉ_ｃよりも多量の空気が流れるように空気流量制御弁３４２を特定の期間だけ開く。これにより、ＩＳ運転の開始直後における排気燃焼器４０への空気供給の遅れに起因する空気不足を回避することができる。
【０１３２】
排気燃焼器４０への空気供給流量を燃焼に必要な流量まで減らした後、図７（ｂ）に示すように、アノード極における酸素濃度の増加によって水素濃度が下がり、スタック電圧が大きく低下する。これは、カソード極からアノード極に流入する空気の量が増加することによるものである。
【０１３３】
時刻ｔ１において、スタック電圧が酸化抑制閾値Ｖｔｈまで低下したため、制御部６は、アノード流量制御弁２３の開度を所定の期間だけ大きくして燃料電池スタック１へのアノードガス供給流量を増加させる。これにより、燃料電池スタック１のアノード極に存在する酸素が外部に排出されるので、水素濃度が上がり、図７（ｂ）に示すようにスタック電圧が上昇する。
【０１３４】
時刻ｔ２において、図７（ａ）に示すようにスタック温度が温度閾値Ｔｔｈまで低下したため、制御部６は、排気燃焼器４０の発熱量が大きくなるように空気流量制御弁３４２の開度を大きくする。これにより、図７（ｃ）に示すように排気燃焼器４０への空気供給流量が増加する。
【０１３５】
そして時刻ｔ３において、制御部６は、排気燃焼器４０の発熱量が大きくなるようにアノード流量制御弁２３の開度を大きくする。これにより、図７（ｄ）に示すように排気燃焼器４０へのアノードガス供給流量が、時刻ｔ１での増加後の供給流量よりもさらに増加する。
【０１３６】
このため、排気燃焼器４０の温度が上昇するので、改質器２６から排出されるアノードガスの温度が上昇する。これに伴って、加熱されたアノードガスが燃料電池スタック１の内部に流れるので、図７（ａ）に示すようにスタック温度が徐々に上昇する。
【０１３７】
時刻ｔ４において、図７（ａ）に示すようにスタック温度が目標温度Ｔｓ_ｔまで上昇したため、制御部６は、アノード流量制御弁２３の開度を増加前の元の値に戻した後に空気流量制御弁３４２の開度を元の値に戻す。これにより、燃料電池スタック１の発電に適した温度が確保されるので、ＩＳ運転から発電運転に切り替わったときに燃料電池スタック１から負荷装置９０に速やかに電力を供給することができる。
【０１３８】
同様に、時刻ｔ５においてスタック圧力が酸化抑制閾値Ｖｔｈまで低下したときに燃料電池スタック１へのアノードガス供給流量を増大させる。スタック圧力が上昇した後、時刻ｔ６においてスタック温度が温度閾値Ｔｔｈまで低下したときに排気燃焼器４０への空気供給流量及びアノードガス供給流量を時刻７まで増加させる。
【０１３９】
なお、ここでは時刻ｔ３から時刻ｔ４までのスタック昇温期間において、燃料電池スタック１へのアノードガス供給流量を増加させる例を示したが、スタック昇温期間において燃料流量制御弁２３１から排気燃焼器４０への燃料供給流量を増加させるようにしてもよい。
【０１４０】
また、ここではスタック昇温期間において排気燃焼器４０への空気供給流量及びアノードガス供給流量を一定の値に設定する例を示したが、この例に限られるものではない。以下ではスタック昇温期間における排気燃焼器４０への空気供給流量及びアノードガス供給流量の他の制御手法について説明する。
【０１４１】
図８Ａは、ＩＳ運転中にスタック温度を温度閾値Ｔｔｈから目標温度Ｔｓ_ｔまで上昇させる制御手法に関する他の例を示すブロック図である。
【０１４２】
制御部６は、減算部６０１と、燃焼器出口温度算出部６０２と、燃焼器供給流量制御部６０３とを含む。
【０１４３】
減算部６０１は、図６のステップＳ９４１でスタック温度が温度閾値Ｔｔｈよりも低下した場合には、目標スタック温度Ｔｓ_ｔから温度センサ６１で検出されたスタック温度を減算して温度差ΔＴを演算する。減算部６０１は、演算した温度差ΔＴを燃焼器出口温度算出部６０２に出力する。
【０１４４】
燃焼器出口温度算出部６０２には、予め定められた温度マップが記録されている。燃焼器出口温度算出部６０２は、減算部６０１から温度差ΔＴを取得すると、温度マップ参照し、温度差ΔＴに対応付けられた燃焼器出口温度の目標値を算出する。燃焼器出口温度算出部６０２は、その目標値を目標出口温度Ｔｃとして燃焼器供給流量制御部６０３に出力する。
【０１４５】
上述の温度マップに関しては、燃焼器出口温度算出部６０２の内部に示したように、温度差ΔＴが大きくなるほど燃料器出口温度の目標値は大きくなる。また、温度差ΔＴが大きくなるほど目標値の増加幅は小さくなる。これにより、温度差ΔＴが大きいときには速やかに燃料電池スタック１の温度を上昇させることができ、温度差ΔＴが小さいときには燃料電池スタック１の温度が高くなり過ぎることを回避できる。
【０１４６】
燃焼器供給流量制御部６０３は、燃焼器出口温度算出部６０２から目標出口温度Ｔｃを取得し、その目標出口温度Ｔｃに基づき、予め定められた流量テーブルを用いて、排気燃焼器４０に供給すべき目標燃料流量及び目標空気流量をそれぞれ設定する。本実施形態では、燃焼器供給流量制御部６０３は、排気燃焼器４０への燃料供給流量が目標燃料流量となるようにアノード流量制御弁２３を開き、排気燃焼器４０への空気供給流量が目標空気流量となるように空気流量制御弁３４２を開く。
【０１４７】
図８Ｂは、燃焼器供給流量制御部６０３に記録される流量テーブルの一例を示す観念図である。
【０１４８】
図８Ｂに示すように、流量テーブルには、排気燃焼器４０への目標空気流量及び目標燃料流量が燃焼器目標出口温度ごとに設定されている。
【０１４９】
燃焼器目標燃料流量は、燃焼器目標出口温度を達成するために必要となる値に設定され、燃焼器目標空気流量は、酸素（Ｏ2）のモル量に対する炭素（Ｃ）のモル量の比（Ｃ／Ｏ2）が１よりも大きくなるように設定される。すなわち、燃焼器目標空気流量は、燃焼器目標流量に応じて設定されるものであり、排気燃焼器４０に供給される燃料であるアノードオフガスを十分に燃焼できるような値に設定される。
【０１５０】
燃焼器目標出口温度に関しては、第１目標出口温度Ｔｃ１、第２目標出口温度Ｔｃ２、第３目標出口温度Ｔｃ３の順に値が大きくなる。したがって、燃焼器目標空気流量に関しても、第１目標空気流量Ｑａｉ１、第２目標空気流量Ｑａｉ２、第３目標空気流量Ｑａｉ３の順に値が大きくなり、燃焼器目標燃料流量に関しても、第１目標燃料流量Ｑｆｕ１、第２目標燃料流量Ｑｆｕ２、第３目標燃料流量Ｑｆｕ３の順に値が大きくなる。
【０１５１】
例えば、第１目標出口温度Ｔｃ１は、スタック温度が温度閾値Ｔｔｈよりも低下した場合に燃焼器出口温度算出部６０２により設定される排気燃焼器４０の出口温度の目標値である。目標燃料流量Ｑｆｕ１は、目標出口温度Ｔｃ１を達成するのに必要となる排気燃焼器４０への燃料供給流量であり、目標空気流量Ｑａｉ１は、目標燃料流量Ｑｆｕ１に対して排気燃焼器４０で完全に燃焼できるようにするための排気燃焼器４０への空気供給流量である。
【０１５２】
したがって、燃焼器供給流量制御部６０３は、スタック温度が温度閾値Ｔｔｈよりも低下した場合には、第１目標出口温度Ｔｃ１を取得し、その第１目標出口温度Ｔｃ１に対応付けられた第１目標燃料流量Ｑｆｕ１及び第１目標空気流量Ｑａｉ１を算出する。そして、燃焼器供給流量制御部６０３は、排気燃焼器４０への燃料供給流量が第１目標燃料流量Ｑｆｕ１となるようにアノード流量制御弁２３を開くとともに、排気燃焼器４０への空気供給流量が第１目標空気流量Ｑａｉ１となるように空気流量制御弁３４２を開く。
【０１５３】
その後、燃焼器供給流量制御部６０３は、温度センサ６３から燃焼器出口温度を取得し、燃焼器出口温度が第２目標出口温度Ｔｃ２まで上昇した場合には、第２目標出口温度Ｔｃ２に対応付けられた第２目標燃料流量Ｑｆｕ２及び第２目標空気流量Ｑａｉ２を算出する。そして、燃焼器供給流量制御部６０３は、算出した第２目標燃料流量Ｑｆｕ２及び第２目標空気流量Ｑａｉ２に基づいてアノード流量制御弁２３及び空気流量制御弁３４２を開く。
【０１５４】
このようにして、排気燃焼器４０の出口温度を段階的に目標出口温度Ｔｃ３まで上昇させることにより、スタック温度を発電に適した温度Ｔｓ_ｔまで上昇させることができる。
【０１５５】
第３実施形態によれば、制御部６は、ＩＳ運転において、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を停止するときに、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を停止する。これにより、ＩＳ運転中において燃料電池スタック１の発電が停止するので、燃費を改善することができる。さらに、カソードガス用の空気によって燃料電池スタック１の内部が冷やされなくなるので、燃料電池スタック１の温度低下を抑制することができる。また、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を停止することにより、燃料電池スタック１のカソード側の圧力が低下し、これに伴ってカソード極からアノード極への酸素の流入が抑制されるので、アノード極の酸化を抑制することができる。
【０１５６】
また、本実施形態によれば、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１のアノード極から排出されるガスを燃やして燃料電池スタック１に供給されるアノードガスを加熱する排気燃焼器４０をさらに含む。そして制御部は、ＩＳ運転において燃料電池スタック１に所定量のアノードガスを供給し、排気燃焼器４０に空気を供給する。
【０１５７】
これにより、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが排気燃焼器４０で燃やすことができ、燃料電池スタック１を加熱するための排気燃焼器４０の温度を維持することができる。このため、ＩＳ運転中における燃料電池スタック１の温度の低下が抑制されるので、ＩＳ運転から発電運転に復帰したときに燃料電池スタック１の温度を発電に適した作動温度まで上昇させるのに要する時間を短くすることができる。すなわち、燃料電池スタック１の次回発電時における応答性の低下を抑制することができる。
【０１５８】
また、本実施形態によれば、制御部６は、ＩＳ運転において、燃料電池スタック１に微量のアノードガスを供給し、所定の期間になった場合に燃料電池スタック１に供給されるアノードガスを増量する。このように、燃料電池スタック１へのアノードガス供給流量を間欠的に増加させることで、燃料電池スタック１のアノード極の酸化を抑制することができるとともに、次回発電時の応答性の低下を抑制することができる。
【０１５９】
特に、本実施形態によれば、制御部６は、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を停止したときに、燃料電池スタック１の状態に応じて燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの流量を制御する。具体的には、図７に示したように、制御部６は、燃料電池スタック１の発電に必要とされる温度を確保するための所定の閾値Ｔｔｈよりも燃料電池スタック１の温度が低下した場合に、排気燃焼器４０へのアノードガス供給流量を増加させる。これにより、燃料電池スタック１の温度を適切に維持することができる。
【０１６０】
また、本実施形態によれば、制御部６は、ＩＳ運転中にスタック温度が低下した場合には、アノードガス供給流量の増加幅を大きくするとともに排気燃焼器４０への空気供給流量を増加させる。例えば、図７（ｄ）に示したように、制御部６は、時刻ｔ１でのアノードガス供給流量の増加幅を、時刻ｔ３でのスタック電圧が低下したときの増加幅に比べて大きくするとともに、排気燃焼器４０への空気供給流量を増加させる。
【０１６１】
これにより、排気燃焼器４０の発熱量が増加するので、スタック温度を速やかに上昇させることができる。また、アノードガス供給流量が増加するのでカソード極からアノード極への酸素の流入をさらに抑制することができる。
【０１６２】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態におけるスタック応答性確保処理に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【０１６３】
本実施形態のスタック応答性確保処理は、図６に示したステップＳ９４１及びＳ９４２に加えてステップＳ９５１〜Ｓ９５５を備えている。ここでは、ステップＳ９５１〜Ｓ９５５の各処理についてのみ説明する。
【０１６４】
ステップＳ９５１において制御部６は、スタック温度が温度閾値Ｔｔｈよりも低下した場合には、排気燃焼器４０への空気供給流量を所定量だけ減らす。本実施形態では、制御部６は、空気流量制御弁３４２の開度をあらかじめ定められたステップ幅だけ小さくして、排気燃焼器４０に供給される空気の流量を減らす。
【０１６５】
排気燃焼器４０に流入する空気流量の減少により排気燃焼器４０の内部の熱が排出されにくくなるので、排気燃焼器４０の温度が上昇して燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの温度が上昇する。すなわち、燃料電池スタック１の温度を上昇させることができる。
【０１６６】
ステップＳ９５２において制御部６は、排気燃焼器４０への空気供給流量が下限値Ｑｔｈに達したか否かを判断する。ここにいう下限値Ｑｔは、排気燃焼器４０に供給されるアノードオフガスを燃焼させるのに最低限必要となる空気流量、又は、その空気流量に誤差等を考慮した余裕代を加えたものである。すなわち、下限値Ｑｔは、排気燃焼器４０から未燃ガスが排出されないように制限するための値である。
【０１６７】
そして、制御部６は、排気燃焼器４０への空気供給流量が下限値Ｑｔｈよりも大きい場合には、スタック温度が目標温度Ｔｓ_ｔに達したか否かを判断する。スタック温度が目標温度Ｔｓ_ｔに達した場合にはスタック応答性確保処理が終了する。一方、スタック温度が目標温度Ｔｓ_ｔよりも低い場合には、制御部６は、ステップＳ９５１の処理に戻って排気燃焼器４０への空気供給量をさらに所定量だけ減少させる。
【０１６８】
ステップＳ９５４において制御部６は、ステップＳ９５２で排気燃焼器４０への空気供給流量が下限値Ｑｔｈに達したと判断された場合には、アノード系空気供給弁３４１を開いて改質器２６に空気を供給する。これにより、改質器２６で空気を燃やしてアノードガスを改質する部分酸化改質が行われるので、改質後のアノードガスの温度が上昇する。このため、スタック温度が上昇する。
【０１６９】
ステップＳ９５５において制御部６は、改質器２６に空気を供給した後、スタック温度が目標温度Ｔｓ_ｔに達したか否かを判断する。そしてスタック温度が目標温度Ｔｓ_ｔに達し場合には、スタック応答性確保処理が終了する。一方、スタック温度が目標温度Ｔｓ_ｔよりも低い場合には、制御部６は、ステップＳ９４２の処理に進み、排気燃焼器４０の発熱量が増加するように排気燃焼器４０への空気供給流量及び燃料供給流量を増加させる。
【０１７０】
このように、ステップＳ９５２では排気燃焼器４０への空気供給流量を減らすことでスタック温度を上昇させる。それでもスタック温度が目標温度Ｔｓ_ｔに達しない場合にはステップＳ９５４で改質器２６に空気を供給することで部分酸化改質を行ってスタック温度を上昇させる。
【０１７１】
なお、本実施形態ではステップＳ９５１〜９５３の処理を実行した後にステップＳ９５４〜Ｓ９５５の処理を実行したが、これに限られるものではない。ステップＳ９５１〜９５３の処理とステップＳ９５４〜Ｓ９５５の処理とは同時に実行してもよく、または、ステップＳ９５４〜Ｓ９５５の処理を実行した後にステップＳ９５１〜９５３の処理を実行するようにしてもよい。また、ステップＳ９４２の処理を実行した後において、ステップＳ９５１〜９５３の処理とステップＳ９５４〜Ｓ９５５の処理を実行するようにしてもよい。
【０１７２】
第４実施形態によれば、ＩＳ運転中にスタック温度が低下した場合には、排気燃焼器４０において空気が不足しない範囲内で排気燃焼器４０に供給される空気の流量を減少させる。これにより、流入する空気によって排気燃焼器４０の内部が冷やされにくくなるので、スタック温度を上昇させることができる。
【０１７３】
また、本実施形態によれば、酸化剤供給系統３は、排気燃焼器４０によって加熱された燃料ガスを改質してアノードガスを生成する改質器２６と、カソードガス用の空気を改質器２６に供給するアノード系空気供給弁（制御弁）３４１とを含む。そして制御部６は、ＩＳ運転中にスタック温度が低下した場合には、アノード系空気供給弁３４１から改質器２６に空気を供給する。これにより、改質器２６での部分酸化改質反応により改質後のアノードガスの温度が上昇し、高温のアノードガスが燃料電池スタック１の内部に供給されることになるので、スタック温度を上昇させることができる。
【０１７４】
（第５実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態における燃料電池システム１１の構成の一例を示す図である。
【０１７５】
燃料電池システム１１は、図１に示した燃料電池システム１０の加熱装置３５に代えて、熱交換器３５１、拡散燃焼器３５２及び触媒燃焼器３５３を備えている。また、燃料電池システム１１は、コンプレッサ３２から触媒燃焼器３５３に空気を通す分岐通路３３３と、ポンプ２１から燃料ガスを排気燃焼器４０、拡散燃焼器３５２、及び触媒燃焼器３５３の各々に通す分岐通路２１１、２１２、及び２１３を備えている。各分岐通路３３３、２１１、２１２及び２１３には、それぞれ、制御弁３４３、２３１、２３２及び２３２が備えられている。
【０１７６】
さらにアノードガス排出通路２９には、遮断弁２８が取り付けられている。遮断弁２８は、燃料電池システム１１の停止制御終了後に閉止する。これにより、アノードガス排出通路２９におけるカソードオフガス等の逆流を防止し、アノードの劣化を抑制する。
【０１７７】
カソードガス供給通路３３には、リリーフバルブ３６が取り付けられている。カソードガス供給通路３３内の圧力が一定値を超えるとカソードガス供給通路３３を開放してコンプレッサ３２に一定以上の負荷がかからないようにしている。
【０１７８】
制御弁３４３は、燃料電池スタック１の起動時に一定量の空気を触媒燃焼器３５３に供給し、起動終了後は分岐通路３３３を閉止する。
【０１７９】
熱交換器３５１は、排気燃焼器４０から排出された排気ガスの熱を利用して、燃焼ガス用の空気又はカソードガス用の空気を加熱するものである。
【０１８０】
拡散燃焼器３５２は、燃料電池システム１０の起動時において、熱交換器３５１により加熱された空気と、分岐通路２１２から供給されるとともに電気ヒータ２４２で加熱された加熱用燃料と、が供給され両者を混合する。そして、拡散燃焼器３５２に付属する着火装置により空気と加熱用燃料の混合物が着火して触媒燃焼器３５３用の予熱バーナを形成する。起動終了後は熱交換器３５１から供給された空気を触媒燃焼器３５３に供給する。
【０１８１】
触媒燃焼器３５３は、起動時において、触媒と予熱バーナ用いて高温の燃焼ガスを生成するものである。触媒燃焼器３５３において、分岐通路３３３を介して燃焼ガス用の空気が供給され、また分岐通路２１３から加熱用燃料が供給され、両者が触媒に接触した状態で混合する。そして、予熱バーナにより空気と加熱用燃料の混合物に着火することにより、大量の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは、酸素を含んでおらず不活性ガスが主成分となっている。そして、燃焼ガスは、燃料電池スタック１のカソード極に供給され、燃料電池スタック１を加熱する。なお、起動終了後は、燃焼ガスの生成は終了し、熱交換器３５１、拡散燃焼器３５２を通過した空気がカソードガスとして燃料電池スタック１に供給される。
【０１８２】
制御弁２３１、２３２及び２３３は、燃料電池システム１１の起動時に分岐通路２１１、２１２、２１３をそれぞれ開放して加熱用燃料を流通させ、起動終了時に分岐通路２１１、２１２、２１３をそれぞれ閉止する。また、アノード流量制御弁２３は、起動時はアノードガス供給通路２２を閉止しているが、起動終了時にアノードガス供給通路２２を開放して改質用燃料を流通させる。
【０１８３】
燃料電池システム１１の起動時において、排気燃焼器４０には、分岐通路２１１から供給され電気ヒータ２４１により加熱された加熱用燃料が供給され、燃料電池スタック１を通過した燃焼ガスと、燃焼器空気供給通路３３２から導入された空気と、を混合して触媒反応により排気燃焼器４０を加熱する。
【０１８４】
次に、本実施形態における燃料電池システム１１の動作について簡単に説明する。
【０１８５】
図１１は、燃料電池システム１１を起動させる起動運転に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【０１８６】
燃料電池システム１１が起動運転を開始すると、ステップＳ１０１において制御部６は、コンプレッサ３２を起動し、カソード流量制御弁３４、制御弁３４１及び制御弁３４２をそれぞれ一定の開度で開放する。これにより、拡散燃焼器３５２及び触媒燃焼器３５３に空気（燃焼用ガス）が供給される。ステップＳ１０２において、制御部６は、ポンプ２１及び拡散燃焼器３５２（着火装置）を起動するとともに制御弁２３１〜２３３を開放する。これにより、加熱用燃料が、拡散燃焼器３５２、触媒燃焼器３５３及び排気燃焼器４０の各々に供給される。そして、拡散燃焼器３５２において予熱バーナが形成され、この予熱バーナを利用して触媒燃焼器３５３において燃焼ガスが生成され、燃焼ガスが燃料電池スタック１を通過して燃料電池スタック１を加熱する。さらに、燃料電池スタック１を通過した燃焼ガスが排気燃焼器４０に到達し、加熱用燃料との触媒燃焼により排気燃焼器４０が加熱され熱交換器２５が加熱される。また排気燃焼器４０からの燃焼後ガスにより蒸発器２４及び熱交換器３５１が加熱される。
【０１８７】
ステップＳ１０３において制御部６は、燃料電池スタック１の温度が発電に必要な作動温度に到達したか否かを判定する。ここで、燃料電池スタック１の温度の判定方法としては、例えば温度センサ６３で検出された燃焼器出口温度が一定値を超えたら燃料電池スタック１が作動温度に到達したと判定すればよい。
【０１８８】
なお、蒸発器２４、熱交換器２５、改質器２６についても、改質用燃料を良好に改質するための適正な温度に到達したか否かの判断が本来必要であるが、これらが適正な温度に到達する時間が、燃料電池スタック１の温度が作動温度に到達する時間よりも短い場合は不要である。
【０１８９】
ステップＳ１０３において制御部６が燃料電池スタック１の温度が作動温度に到達したと判断した場合、ステップＳ１０４において、制御部６は、拡散燃焼器３５２を停止し、制御弁３４２、３４３、２３１、２３２、２３３の各々を閉止し、アノード流量制御弁２３を開放する。これにより、燃料タンク２０から改質用燃料が蒸発器２４、熱交換器２５、改質器２６を経てアノードガス（燃料ガス）となり、このアノードガスが燃料電池スタック１のアノード極に供給される。一方、カソード流量制御弁３４からは引き続き空気が供給されるとともに熱交換器３５１で加熱され、カソードガス（酸化剤ガス）として燃料電池スタック１に供給される。そして、燃料電池スタック１においてアノードガスとカソードガスによる電気化学反応が始まることで発電運転となり、起動運転が終了する。
【０１９０】
次に、燃料電池システム１１の発電運転における動作について説明する。
【０１９１】
燃料電池システム１１の発電運転では、まず、燃料タンク２０から供給された改質用燃料が蒸発器２４により気化し、気化した改質用燃料が熱交換器２５により加熱され、加熱された改質用燃料が改質器２６においてアノードガスに改質され、このアノードガスが燃料電池スタック１のアノード極に供給される。一方、カソードガスとしての空気が熱交換器３５１により昇温され、拡散燃焼器３５２、触媒燃焼器３５３を通過して燃料電池スタック１のカソード極に供給される。アノードガスとカソードガスが供給された燃料電池スタック１では電気化学反応により電力が発生してＤＣ-ＤＣコンバータ５１に電力を供給するとともに、電気化学反応に使用されたアノードオフガスとカソードオフガスは排気燃焼器４０に導入される。そして、アノードオフガス、カソードオフガスが混ざった状態で燃焼して排出ガスとなり、これが蒸発器２４及び熱交換器３５１を加熱する。
【０１９２】
第５実施形態によれば、制御部６は、上記の各実施形態と同様、燃料電池システム１１の運転状態が発電運転からＩＳ運転に切り替えられたときに、燃料電池システム１１から負荷装置９０への電力供給を停止し、燃料電池スタック１にアノードガスを供給する。これにより、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【０１９３】
なお、上記実施形態では固体酸化物型燃料電池を備える燃料電池システムに本発明を適用する例を示したが、これに限られるものではなく、次図に示すような、高分子電解質型燃料電池を備える燃料電池システムについても適用することができる。
【０１９４】
（第６実施形態）
図１２は、高分子電解質型燃料電池を備える燃料電池システム１２の構成の一例を示す構成図である。
【０１９５】
燃料電池システム１２は、負荷装置９０ａに備えられた駆動モータ９１に電力を供給するものである。燃料電池システム１２は、複数の高分子電解質型燃料電池を積層した燃料電池スタック１ａと、アノードガス供給系統２ａと、カソードガス供給系統３ａと、電力供給系統５ａと、駆動モータ９１の要求電力に基づいて燃料電池スタック１ａに供給されるアノードガス及びカソードガスの流量を制御する制御部６ａとを備える。
【０１９６】
アノードガス供給系統２ａは、アノードガスを高圧で収容する高圧タンク２０ａと、アノードガス供給通路２２ａと、アノードガスの圧力を調整するアノード調圧弁２３ａと、アノードオフガスを排出するパージ弁２４ａと、アノードガス排出通路２９ａとを備える。
【０１９７】
カソードガス供給系統３ａは、フィルタ３０ａと、コンプレッサ３２ａと、カソードガス供給通路３３ａと、カソードガスの圧力を調整するカソード調圧弁３４ａと、カソードガス排出通路３９ａとを備える。
【０１９８】
電力供給系統５ａは、燃料電池システム１２から負荷装置９０ａに電力を供給するＤＣ-ＤＣコンバータ５１と、燃料電池スタック１の電力を補助する補助バッテリ５２とを備える。
【０１９９】
このような燃料電池システム１２においても、制御部６ａは、例えば、駆動モータ９１の要求電力がゼロになった場合にはＩＳ運転を実施する。この場合において制御部６ａは、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１を制御して駆動モータ９１への電力供給を停止し、アノードガスを燃料電池スタック１のアノード極に通して外部に排出させるようにしてもよい。これにより、ＩＳ運転中にアノード極に滞留する空気が排出されることになるので、燃料電池スタック１の発電性能の低下を抑制することができる。
【０２００】
また、高分子電解質型燃料電池から排出される燃料オフガス及び酸化剤オフガスを燃焼器で燃焼してその燃焼ガスによってタービンを駆動するような燃料電池システムであっても本発明を適用することが可能である。
【０２０１】
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。
【０２０２】
例えば、負荷装置９０の要求電力がゼロになった場合にＩＳ運転を実施したが、燃料電池システムから負荷装置９０への電力供給が停止される条件であればよく、燃料電池スタックに対する要求電力がゼロよりも大きな所定の値であってもＩＳ運転を実施するようにしてもよい。
【０２０３】
また、本実施形態ではＩＳ運転要求はバッテリ９２が満充電となった時に発行される例について説明したが、バッテリ９２のＳＯＣが所定値（例えば９０％）以上になった時に発行されるものであってもよい。
【０２０４】
なお、上記各実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【０２０５】
本願は、２０１５年１２月２５日に日本国特許庁に出願された特願２０１５−２５３８５２に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
2017110374.tif 000003
【図２Ａ】
2017110374.tif 000004
【図２Ｂ】
2017110374.tif 000005
【図２Ｃ】
2017110374.tif 000006
【図２Ｄ】
2017110374.tif 000007
【図３】
2017110374.tif 000008
【図４】
2017110374.tif 000009
【図５】
2017110374.tif 000010
【図６】
2017110374.tif 000011
【図７】
2017110374.tif 000012
【図８Ａ】
2017110374.tif 000013
【図８Ｂ】
2017110374.tif 000014
【図９】
2017110374.tif 000015
【図１０】
2017110374.tif 000016
【図１１】
2017110374.tif 000017
【図１２】
2017110374.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成29年5月17日(2017.5.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給装置と、前記燃料電池のアノードから排出される燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池に要求される負荷に基づいて、前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを制御して前記燃料電池を発電させる発電運転を実施する発電運転ステップと、
前記負荷が所定の値以下となった場合には、前記燃料電池の自立運転を実施する自立運転ステップと、を含み、
前記自立運転では、前記燃料電池システムから前記負荷への電力供給を停止し、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを通す、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記燃料電池システムから前記負荷への電力供給を停止するときに、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃焼器は、前記燃料電池に供給される燃料ガスを加熱し、
前記自立運転ステップは、前記アノードに所定量の燃料ガスを供給し、前記燃焼器に酸化剤ガスを供給する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記燃料電池システムから前記負荷への電力供給を停止した後、前記燃焼器に供給される酸化剤ガスを特定の期間だけ増量する、
燃料電池システムの制御方法。
【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の制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記アノードに微量の燃料ガスを供給し又は前記アノードへの燃料ガスの供給を停止し、所定の期間になった場合に前記アノードに供給される燃料ガスを増量する、
燃料電池システムの制御方法。
【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の制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記負荷への電力供給を停止したときには、前記燃料電池の状態に応じて、前記アノードに供給される燃料ガスの流量を制御する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記燃料電池の電圧が、前記アノードの燃料ガス濃度が低下したことを示す所定の電圧よりも低下した場合に、前記アノードに供給される燃料ガスの流量を増加させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記所定の電圧は、前記アノードの酸素濃度の増加によって燃料ガス濃度が下がり、前記アノードが劣化することを示す電圧である、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記発電に必要とされる温度を確保するための所定の閾値よりも前記燃料電池の温度が低下した場合に、前記燃焼器に供給される燃料ガスの流量を増加させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記自立運転中に前記燃料電池の温度が低下した場合には、前記燃焼器に供給される酸化剤ガスの流量を減少させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記自立運転中に前記燃料電池の温度が低下した場合には、前記燃料ガスの流量の増加幅を大きくするとともに前記燃焼器に供給される酸化剤ガスの流量を増加させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
請求項１０又は請求項１１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記ガス供給装置は、
前記燃焼器によって加熱された燃料ガスを改質する改質器と、
前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを前記改質器に供給する制御弁と、を含み、
前記自立運転ステップは、前記自立運転中に前記燃料電池の温度が低下した場合には、前記制御弁により前記改質器に酸化剤ガスを供給する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
請求項１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の制御方法であって、
前記自立運転ステップは、前記負荷への電力供給を停止したときには、前記燃料電池のアノードから前記燃焼器に排出される未燃ガスを燃やす、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給装置と、
前記燃料電池のアノードから排出される燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池から電力を取り出してバッテリ又はモータに供給する電力制御器と、
前記燃料電池に要求される負荷に基づいて前記燃料電池の発電運転を実施する制御部と、を含む燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記負荷が所定の値以下となった場合には、前記燃料電池システムから前記負荷への電力供給を停止し、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを通す、
燃料電池システム。
【国際調査報告】
2017110374.tif 000019
2017110374.tif 000020
2017110374.tif 000021
2017110374.tif 000022