(57)【要約】  燃料電池システムの制御方法は、アノードガス及びカソードガスが供給されると共に、負荷に応じて発電する固体酸化物型の燃料電池を備え、当該燃料電池へのガスの供給と発電を制御する燃料電池システムの制御方法である。この制御方法は、負荷の大きさに応じて、燃料電池へと流れるアノードガス及びカソードガスの流量を制御する発電運転ステップと、負荷が所定の値以下である場合には、燃料電池に自立運転を行わせる自立運転ステップと、を有する。自立運転ステップは、燃料電池に、所定の流量のアノードガス、及び、所定の流量のカソードガスを供給するガス供給ステップを有する。
2017110367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスが供給されると共に、負荷に応じて発電する固体酸化物型の燃料電池を備え、当該燃料電池へのガスの供給と発電を制御する燃料電池システムの制御方法であって、
前記負荷の大きさに応じて、前記燃料電池へと流れる前記アノードガス及び前記カソードガスの流量を制御する発電運転ステップと、
前記負荷が所定の値以下である場合には、前記燃料電池に自立運転を行わせる自立運転ステップと、を有し、
前記自立運転ステップは、
前記燃料電池に、所定の流量の前記アノードガス、及び、所定の流量の前記カソードガスを供給するガス供給ステップを有する、
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、
前記ガス供給ステップにおいて、前記燃料電池に、前記燃料電池のカソード極の電位が維持される流量の前記カソードガスを供給する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記ガス供給ステップにおいて、前記燃料電池に、前記燃料電池内において前記カソードガスのアノード電極への透過を抑制する流量の前記アノードガス、及び、該アノードガスの全てが前記燃料電池内にて反応する流量の前記カソードガスを供給する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
請求項１から３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、
前記燃料電池の電圧に応じて、前記アノードガスの流量を変化させる電圧維持ステップを、さらに有する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記電圧維持ステップにおいて、前記燃料電池の電圧が下限値を下回る場合には、前記燃料電池の電圧が上限値となるように、前記アノード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６】
請求項１から５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、
前記燃料電池の温度を、前記燃料電池が発電可能な温度範囲に維持する温度維持ステップを、さらに有する、
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、
前記温度維持ステップは、
前記燃料電池の温度が下限値を下回る場合には、前記燃料電池を発電させて前記燃料電池から電力を供給させ、前記燃料電池の温度が上限値を上回る場合には、前記燃料電池の発電を停止する、電力供給ステップを有する、
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、
前記燃料電池システムは、補機をさらに有し、
前記電力供給ステップにおいて、前記燃料電池から前記補機に電力を供給する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記電力供給ステップにおける前記カソードガスの流量は、前記発電運転ステップにおける前記カソードガスの流量よりも小さい、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
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、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池に前記カソードガスを供給する流路に設けられる起動燃焼器を、さらに有し、
前記温度維持ステップは、
前記起動燃焼器を起動させる起動燃焼ステップを有する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
請求項１から１０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、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスを混合し、該混合されたガスを燃焼させる排気燃焼器を、さらに有し、
前記自立運転ステップは、
前記排気燃焼器を起動させる排気燃焼ステップを、さらに有する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
アノードガス及びカソードガスが供給される燃料電池と、
前記燃料電池に前記アノードガス及び前記カソード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、前記ガス供給装置から前記燃料電池のアノードに前記アノードガスを供給するとともに前記燃料電池のカソードに前記カソードガスを供給する、
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、燃料電池に接続された負荷に応じて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】
ＵＳ２０１４／０１１３１６２Ａ１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側からアノード側へと酸素が透過してくるため、アノード極が酸化してしまうことがある。したがって、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、アノード極が酸化してしまい、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、燃料電池の負荷への電力供給を停止した場合におけるアノード極の酸化劣化に起因す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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様の燃料電池システムの制御方法によれば、アノードガス及びカソードガスが供給されると共に、負荷に応じて発電する固体酸化物型の燃料電池を備え、当該燃料電池へのガスの供給と発電を制御する燃料電池システムの制御方法であって、負荷の大きさに応じて、燃料電池へと流れるアノードガス及びカソードガスの流量を制御する発電運転ステップと、負荷が所定の値以下である場合には、燃料電池に自立運転を行わせる自立運転ステップと、を有する。自立運転ステップは、燃料電池に、所定の流量のアノードガス、及び、所定の流量のカソードガスを供給するガス供給ステップを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１実施形態の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、燃料電池システムによる電力供給の態様を示す概略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、燃料電池システムによる電力供給の態様を示す概略図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、燃料電池システムによる電力供給の態様を示す概略図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、燃料電池システムによる電力供給の態様を示す概略図である。
【図３Ａ】図３Ａは、燃料電池システムの運転制御を示すフローチャートである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、アノードガス制御を示すフローチャートである。
【図３Ｃ】図３Ｃは、電力供給制御を示すフローチャートである。
【図４】図４は、燃料電池システムの時系列の変化を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、第２実施形態の燃料電池システムの運転制御を示すフローチャートである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、加熱装置制御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時系列の変化を示す図である。
【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、本実施形態では、車両に搭載される負荷装置９０に対して電力を供給する。
【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１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の内部では、アノードガスに含まれる水素やメタンなどとカソードガスに含まれる酸素とが反応することで発電が行われる。そして、燃料電池スタック１からは、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排出される。
【００１４】
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、アノードガスの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が接続される。カソード側のマニホールドには、カソードガスの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る。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る。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に相当する。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、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の燃料が蓄えられる。
【００１８】
ポンプ２１は、燃料を吸引して一定の圧力で燃料供給系統２に燃料を供給する。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、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】
制御弁２３は、不図示の噴射ノズルを備えている。ポンプ２１から供給される燃料をこの噴射ノズルに供給すると、噴射ノズルから燃料が蒸発器２４に噴射される。制御部６は、制御弁２３を制御することにより、アノードガスの流量を制御することができる。
【００２０】
蒸発器２４は、排気燃焼器４０からの排出ガスの熱を利用して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における発熱を利用して、気化した燃料を改質器２６において改質可能な温度まで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、燃料を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。例えば、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が行われる。水蒸気改質が行われるためには、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】
アノードガス供給通路２２は、ポンプ２１と蒸発器２４との間において分岐する分岐路２２１、及び、２２２を備えている。アノードガス供給通路２２を流れる燃料は、分岐路２２１を介して排気燃焼器４０に供給されるとともに、分岐路２２２を介して加熱装置３５に供給される。なお、分岐路２２１には、排気燃焼器４０への燃料の流量を制御する制御弁２３１が設けられている。分岐路２２２には、加熱装置３５への燃料の流量を制御する制御弁２３２が設けられている。制御弁２３１、２３２の開弁量は、制御部６によって制御される。
【００２６】
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に相当する。
【００２７】
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、カソードガスの流量の制御弁３４と、加熱装置３５とを含む。
【００２８】
フィルタ３０は、外気の異物を除去し、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。
【００２９】
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へと通す通路である。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。
【００３０】
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カソードガス供給装置である。本実施形態では、カソードガス供給装置であるコンプレッサ３２は、フィルタ３０を通じて外気（カソードガス）を取り入れ、そのカソードガスを燃料電池スタック１等に供給する。なお、カソードガス供給装置は、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いため、送風機やポンプなどであってもよい。なお、コンプレッサ３２は、燃料電池スタック１からの電力を蓄電可能な弱電バッテリ５２から電力の供給を受けて、駆動する。
【００３１】
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。制御弁３４の開弁量は、制御部６によって制御される。
【００３２】
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加熱する装置である。例えば、加熱装置３５は、カソード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、燃料を燃やしてカソードガスを加熱する燃焼器、触媒反応の熱を利用してカソードガスを加熱する燃焼器などによって構成される。加熱装置３５は、燃料タンク２０から分岐路２２２を介して供給された燃料を用いて、カソードガスを加熱する。
【００３３】
燃焼器空気供給通路３３１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り、燃料電池スタック１をバイパスして排気燃焼器４０に空気を供給可能に構成される。なお、本実施形態では、燃焼器空気供給通路３３１は、排気燃焼器４０に接続されているが、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。
【００３４】
制御弁３４１は、排気燃焼器４０に供給されるカソードガスの流量を制御するものである。制御弁３４１の開弁量は、制御部６によって制御される。ここで、排気燃焼器４０は、主に、アノードオフガス中の未燃ガスとカソードオフガスに含まれる酸素とを燃焼する。しかしながら、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、排気燃焼器４０に供給されるカソードオフガスに含まれる酸素が不足する場合がある。このような場合には未燃ガスの全てを燃焼させることが困難となるので、制御弁３４１を開いて排気燃焼器４０に燃焼促進ガスとしてカソードガスを供給する。これにより、未燃ガスを確実に燃焼させることができる。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
排気通路４１における排気燃焼器４０と蒸発器２４との間には、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。
【００４０】
電力供給系統５は、燃料電池スタック１と負荷装置９０との間に設けられ、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。電力供給系統５は、電力供給装置に相当する。また、電力供給系統５は、電圧センサ５０とＤＣ-ＤＣコンバータ５１、図示しないモータインバータ等を含む。
【００４１】
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の間に接続され、燃料電池スタック１の出力端での電圧を検出する。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。
【００４２】
ＤＣ-ＤＣコンバータ５１は、バッテリ９２と駆動モータ９１との電圧に対し、燃料電池スタック１の電圧を昇圧して燃料電池スタック１の発電電力をバッテリ９２や駆動モータ９１へ取り出せるようにする電力制御器である。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。
【００４３】
弱電バッテリ５２は、燃料電池スタック１による発電電力を蓄えることができる。弱電バッテリ５２は、コンプレッサ３２に駆動電力を供給する。また、弱電バッテリ５２は、電磁弁である制御弁２３、２３１、２３２、３４、及び、３４１などにも電力を供給する。なお、制御部６によって、燃料電池スタック１から弱電バッテリ５２への充電の実行又は中断が制御される。
【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の電力をＤＣ-ＤＣコンバータ５１を介して駆動モータ９１に供給しても良い。
【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、バッテリ９２の充電量が充電が必要となる所定値以下（例えば、ＳＯＣ（State of Charge）が９０％以下）となったときに、燃料電池システム１０を起動しても良い。
【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る。そして、制御部６は、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及びアノードガスの供給流量を算出し、算出した供給流量のアノードガス及びカソードガス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カソードガス及びアノードガスの流量を制御して、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及びアノードガスの供給流量は大きくなる。なお、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスは、燃料電池スタック１の目標温度と実温度との偏差に基づき制御されても良い。目標温度より実温度が高い場合であって、偏差が大きい時は、偏差が小さい時に比して、カソードガスの供給量を増加させる。
【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は、燃料電池システム１０の運転状態が発電運転からＩＳ運転に遷移する。そして、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。ＩＳ運転中は、燃料電池システム１０に設けられた補機に対して、燃料電池スタック１の発電電力を供給することがある。なお、燃料電池スタック１から補機に電力供給をしなくてもよい。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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概略図である。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。
【００５８】
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概略図である。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）が高いような場合に起り得る。
【００５９】
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概略図である。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の容量に充電する余裕がある場合にも起り得る。
【００６０】
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概略図である。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。
【００６１】
このように、図２Ａから図２Ｄまで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。負荷装置９０は、ＩＳ状態になると、燃料電池システム１０に対してＩＳ運転要求を送信する。
【００６２】
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、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。
【００６３】
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カソードガス（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が酸化劣化し、燃料電池システム１０の発電性能が低下してしまう。
【００６４】
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するが、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。
【００６５】
ＩＳ運転中の燃料電池スタック１内においては、電解質層を透過したカソードガスが直接アノードガスと直接化学反応（電気化学反応とは異なる）を起こしてしまう。そのため、ＩＳ運転が開始された後には、カソードガスの供給流量の低下に伴い、電圧センサ５０により測定されるスタック電圧は、時間の経過とともに低下する。また、燃料電池スタック１は、高温状態で酸素に晒されると触媒のニッケルが酸化反応により劣化してしまう。
【００６６】
この対策として、本実施形態の制御部６は、電圧の低下を抑制するために燃料電池スタック１へカソードガスの供給を継続する。このため、スタック電圧の低下が抑制される。一方、アノードガスの供給も継続することで、アノード極に透過した酸素を消費しつつ、アノード極のアノードガス濃度を高濃度に維持できるのでアノード極の酸化劣化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３Ａは、本実施形態における燃料電池システム１０の運転制御を示すフローチャートである。
【００６９】
ステップＳ３１において、制御部６は、発電運転を実施する。発電運転が行われると、燃料電池スタック１への要求電力に基づいて電力制御器を制御して、燃料電池スタック１から取り出す電力量を調整する。
【００７０】
一方で、制御部６は、負荷装置９０から燃料電池システム１０へ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制御弁３４を開く。コンプレッサ３２によって燃料電池システム１０外からカソードガスが供給されると、そのカソードガスは加熱装置３５によって昇温された後に、燃料電池スタック１のカソード極に供給される。
【００７２】
同時に、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制御弁２３を開く。ポンプ２１によって燃料タンク２０から供給された改質用の燃料が蒸発器２４によって気化され、気化した燃料が熱交換器２５によって加熱される。加熱された燃料は、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。
【００７３】
そして、燃料電池スタック１では、電力制御器の導通状態に応じて供給されたアノードガスとカソードガスとが電気化学反応を起こし、これにより電力が発生する。燃料電池スタック１からは、電気化学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、排気燃焼器４０に排出される。
【００７４】
ステップＳ３２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が満充電になった場合や、バッテリ９２の充電量が充電が必要となる所定値以下となった場合などの、燃料電池スタック１への要求電力がゼロになった場合に発行される。
【００７５】
ＩＳ運転要求を受けていない場合には（Ｓ３２：Ｎｏ）、制御部６は燃料電池システム１０の運転制御を終了する。そのため、発電運転を行うことになる。ＩＳ運転要求を受けている場合には（Ｓ３２：Ｙｅｓ）、Ｓ３３の処理に進み、ＩＳ運転を行う。
【００７６】
ステップＳ３３において、ＩＳ運転が開始される。制御部６は、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。そして、制御部６は、制御弁３４及び制御弁２３を、開弁量が小さくなるように制御して、アノードガス及びカソードガスの流量を制御する。このようにして、燃料電池スタック１には、所定の流量のアノードガス及びカソードガスが供給されるようになる。
【００７７】
ここで、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの所定の流量は、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カソードガスが透過してきても、アノード極が酸化劣化しない量に定められる。例えば、想定されるＩＳ運転の継続時間をあらかじめ決定しておき、その継続時間においてアノード極へ酸素が流入してきてもアノードガス濃度が高濃度を維持できる所定の流量が設定される。制御部６は、所定の継続時間ごとに、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増やすようにしてもよい。
【００７８】
カソードガスの所定の流量は、燃料電池スタック１のカソード極の電位が維持されるように定められる。そのため、燃料電池スタック１においては、カソードガス不足に起因して電圧が低下することはない。
【００７９】
なお、このようなアノードガスの所定の流量、及び、カソードガスの所定の流量は、実験により求めてもよいし、シミュレーションなどの計算結果に基づいて求めてもよい。
【００８０】
また、ステップＳ３３においては、制御部６は、制御弁３４１を制御して排気燃焼器４０へのカソードガスの供給を開始する。このようにすることで、排気燃焼器４０においてアノードオフガスに含まれる未燃ガスを確実に燃焼させることができる。
【００８１】
ステップＳ３４において、制御部６は、スタック電圧Ｖｓが、所定の閾値電圧Ｖｔｈを上回るか否かを判定する。スタック電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔｈ以下である場合には（Ｓ３４：Ｎｏ）、スタック電圧Ｖｓを適切な電圧値となるように制御する必要があると判断して、Ｓ３５の処理に進む。スタック電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔｈを上回る場合には（Ｓ３４：Ｙｅｓ）、Ｓ３６の処理に進む。
【００８２】
ここで、スタック電圧Ｖｓは、燃料電池スタック１内におけるアノードガスとカソードガスとの直接化学反応の進行度合に応じて変化する。また、カソードガス不足に起因して電圧が低下することはないように、燃料電池スタック１には十分なカソードガスが供給されている。そのため、燃料電池スタック１内にてアノードガスが減少することによってのみ、スタック電圧Ｖｓは低下する。ここで、スタック電圧Ｖｓが大きく低下している場合には、アノードガス濃度が低下し酸素分圧が上昇しているので、燃料電池スタック１のアノード極が酸化するおそれが高い。そこで、Ｓ３４の判定処理においては、燃料電池スタック１内においてアノード極が酸化するおそれが高くなるようなスタック電圧Ｖｓを、閾値電圧Ｖｔｈとする。そして、Ｓ３５においては、アノードガスの供給流量を調整することにより、スタック電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔｈを下回らないように制御することで、ＩＳ運転中においてスタック電圧Ｖｓを維持することができる。
【００８３】
ステップＳ３５においては、上述したようなアノードガス制御処理が行われる。このアノードガス制御処理の詳細が、図３Ｂに示されている。
【００８４】
図３Ｂを参照すると、まず、ステップＳ３５１において、制御部６は、スタック電圧Ｖｓが上限電圧Ｖｍａｘ以上であるか否かを判定する。ここで、上限電圧Ｖｍａｘは、例えば、ＩＳ運転時に許容されるスタック電圧Ｖｓの上限値である。
【００８５】
スタック電圧Ｖｓが上限電圧Ｖｍａｘ以上である場合には（Ｓ３５１：Ｙｅｓ）、スタック電圧Ｖｓを大きくする必要はないと判断して、Ｓ３５３の処理に進む。スタック電圧Ｖｓが上限電圧Ｖｍａｘを下回る場合には（Ｓ３５１：Ｎｏ）、スタック電圧Ｖｓを大きくする必要があると判断して、ステップＳ３５２に進む。
【００８６】
ステップＳ３５２において、制御部６は、制御弁２３の開弁量を大きくすることで、燃料電池スタック１へと流れるアノードガスの流量を増加させる。Ｓ３５２の処理の後には、ステップＳ３５１の処理に戻る。
【００８７】
ここで、上述のように、燃料電池スタック１には、カソードガス不足に起因して電圧が低下することにならないような所定量のカソードガスが供給されている。そのため、スタック電圧Ｖｓの低下は、アノードガス不足に起因することになる。したがって、アノードガスの流量を増加させることにより、スタック電圧Ｖｓを増加させることができる。
【００８８】
また、アノードガスの流量を増加させると、スタック電圧Ｖｓは急激に上昇する。そのため、制御部６は、アノードガスを増加させる流量、及び、増加させる時間を予め定めておき、スタック電圧Ｖｓが上限電圧Ｖｍａｘとなるように制御弁２３を制御して、アノードガスの流量を増加させる。なお、増加させるアノードガスの供給流量及び時間は、実験により求めてもよいし、シミュレーションなどの計算結果に基づいて求めてもよい。
【００８９】
ステップＳ３５３において、制御部６は、制御弁２３の開弁量を小さくして、アノードガスの流量を所定の流量に減少させる。このようにして、アノードガス制御処理が行われることにより、スタック電圧Ｖｓは、ＩＳ運転中のスタック電圧Ｖｓを所望の電圧範囲に維持しつつ、アノード極の酸化を抑制することができる。
【００９０】
再び図３Ａを参照すれば、ステップＳ３６において、燃料電池スタック１の温度であるスタック温度Ｔｓが、閾値温度Ｔｔｈ（例えば、６５０度）を上回るか否かを判定する。ここで、閾値温度Ｔｔｈは、燃料電池スタック１の電解質層において酸素イオンの電導度が確保される温度である。そのため、燃料電池スタック１が発電を滞りなく再開するためには、スタック温度Ｔｓが閾値温度Ｔｔｈを上回っている必要がある。スタック温度Ｔｓが閾値温度Ｔｔｈ以下である場合には（Ｓ３６：Ｎｏ）、スタック温度Ｔｓを上昇させる必要があると判断して、Ｓ３７の処理に進む。スタック温度Ｔｓが所定の閾値温度Ｔｔｈを上回る場合には（Ｓ３６：Ｙｅｓ）、Ｓ３８の処理に進む。なお、スタック温度Ｔｓは、温度センサ６１により取得されるスタック入口温度、および、温度センサ６２により取得されるスタック出口温度から求めることができる。
【００９１】
ステップＳ３７において、電力供給制御が行われる。この電力供給制御の詳細が、図３Ｃに示されている。
【００９２】
図３Ｃを参照すると、まず、ステップＳ３７１において、制御部６は、スタック温度Ｔｓが、ＩＳ運転時に許容される上限温度Ｔｍａｘ（例えば７５０度）以上であるか否かを判定する。スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔｍａｘ以上である場合には（Ｓ３７１：Ｙｅｓ）、スタック温度Ｔｓを大きくする必要はないと判断して、Ｓ３７３の処理に進む。スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔｍａｘを下回る場合には（Ｓ３７１：Ｎｏ）、スタック温度Ｔｓを大きくする必要があると判断して、ステップＳ３７２に進む。
【００９３】
ステップＳ３７２において、制御部６は、燃料電池スタック１から燃料電池システム１０が備える補機への電力供給を開始させる。例えば、制御部６は、弱電バッテリ５２を介して、コンプレッサ３２に供給する電力を増加させてもよい。このようにすることで、燃料電池スタック１は発電を開始するので、スタック温度Ｔｓが上昇する。
【００９４】
また、ＩＳ運転中に燃料電池スタック１から補機に電力を供給している間の、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給流量は、発電運転時の燃料電池スタック１へのカソードガスの供給流量よりも少ない。燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの温度は、発電を行っている燃料電池スタック１の温度よりも低いため、カソードガスの供給流量が大きくなるほど、燃料電池スタック１の温度が低下してしまう。そこで、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスを発電運転時よりも少なくすることで、燃料電池スタック１の温度の低下を抑制することができる。
【００９５】
Ｓ３７２の処理が行われた後には、ステップＳ３７１の処理に戻る。そのため、この供給電力の増加は、スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔｍａｘ以上となるまで行われる。
【００９６】
ステップＳ３７３において、制御部６は、燃料電池スタック１からの電力供給を停止させる。例えば、燃料電池システム１０から弱電バッテリ５２への電力供給を遮断する。このようにすることにより、スタック温度Ｔｓの上昇を停止させる。そのため、スタック温度Ｔｓは常に発電に適した温度となり、電解質層における酸素イオンの電導度が確保される。
【００９７】
再び図３Ａを参照すれば、ステップＳ３８において、制御部６は、負荷装置９０からＩＳ復帰要求を受け付けたか否かを判断する。ＩＳ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の負荷（要求電力）がゼロよりも大きくなった場合にＩＳ復帰要求が発行される。
【００９８】
制御部６は、ＩＳ復帰要求を受け付けていない時には（Ｓ３８：Ｎｏ）、ステップＳ３４に戻り、負荷装置９０からＩＳ復帰要求を受けるまでステップＳ３４からＳ３７までの処理を繰り返し実行する。一方、制御部６は、ＩＳ復帰要求を受け付けた時には（Ｓ３８：Ｙｅｓ）、ＩＳ運転を終了して運転制御を終了する。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Ｓ３１にて発電運転が実施される。上述のように、スタック温度Ｔｓは常に発電に適した温度となり、電解質層における酸素イオンの電導度が確保されているため、ＩＳ運転状態から発電運転状態への遷移に要する時間を短縮することができる。
【００９９】
このように、制御部６は、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にアノードガス及びカソードガスを継続して供給する。そして、スタック電圧Ｖｓ、及び、スタック温度Ｔｓは適切な範囲の値に維持されることなる。
【０１００】
図４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。
【０１０１】
図４（ａ）は、スタック温度Ｔｓの変化を示す図である。図４（ｂ）は、スタック電圧Ｖｓの変化を示す図である。図４（ｃ）は、燃料電池スタック１内のアノードガス分圧を示す図である。図４（ｄ）は制御弁３４の開弁量に応じた、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量の変化を示す図である。図４（ｅ）は、制御弁２３の開弁量に応じた、燃料電池スタック１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４（ｆ）は、燃料電池スタック１から供給される電流の変化を示す図である。図４（ａ）から図４（ｆ）までの各図面の横軸は、共通の時間軸である。
【０１０２】
時刻ｔ０は、例えばバッテリ９２が満充電になり、負荷装置９０からＩＳ運転要求が発行される時刻である。時刻ｔ０よりも前においては発電運転（Ｓ３１）を行っている。そして、時刻ｔ０において、負荷装置からＩＳ運転要求を受け付けると（Ｓ３２：Ｙｅｓ）、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。そして、時刻ｔ０以降においてはＩＳ運転（Ｓ３３〜Ｓ３８）が行われることになる。
【０１０３】
時刻ｔ０においては、ＩＳ運転が開始されると、図４（ｆ）に示すように、制御部６は、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への電流の供給を停止させる。同時に、図４（ｅ）に示すように、制御部６は、制御弁２３の開弁量を小さくして、燃料電池スタック１にアノードガスが所定の流量だけ供給されるようにする。
【０１０４】
そして、時刻ｔ０から所定の時間だけ遅れた時刻ｔ０ａになると、制御部６は、制御弁３４の開弁量を小さくして、燃料電池スタック１にカソードガスが所定の流量だけ供給されるようにする。ここで、時刻ｔ０において制御弁２３を閉じた後においても、アノードガス供給通路２２における制御弁２３から燃料電池スタック１までの間に存在する燃料及びアノードガスの全てがすぐに消費されない。そのため、これらの燃料及びアノードガスの全てを燃料電池スタック１において消費させるために、カソードガスの燃料電池スタック１への供給を継続する必要がある。したがって、カソードガス供給流量が小さくなるタイミング（時刻ｔ０ａ）は、アノードガス供給流量が小さくなるタイミング（時刻ｔ０）よりも遅らされている。
【０１０５】
時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間は、図４（ｃ）に示すように、燃料電池スタック１内に存在するアノードガスとカソードガスとの直接化学反応が進行して、アノードガス分圧が減少する。そのため、図４（ｂ）に示すように、スタック電圧Ｖｓも低下する。また、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの間は、図４（ａ）に示すように、燃料電池スタック１において発電が行われていないため、スタック温度Ｔｓが低下する。
【０１０６】
時刻ｔ１においては、図４（ｂ）に示すように、スタック電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔｈとなる。ここで、図３Ａを参照すると、スタック電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔｈ以下となる場合には（Ｓ３４：Ｎｏ）、制御部６は、アノードガス供給制御（Ｓ３５）を行う。図３Ｂに示されるように、アノードガス供給制御においては、制御弁２３を制御することで、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給流量を所定の時間だけ増加させる（Ｓ３５２）。すると、図４（ｃ）に示すように燃料電池スタック１内のアノードガス分圧の上昇に伴い、図４（ｂ）に示すようにスタック電圧Ｖｓが上昇する。
【０１０７】
そして、時刻ｔ１ａにおいて、アノードガスを所定の時間だけ供給し終えると、スタック電圧Ｖｓが上限電圧Ｖｍａｘに達している（Ｓ３５１：Ｙｅｓ）。そして、制御部６は、制御弁２３を制御して、燃料電池スタック１へのアノードガスの流量を減少させて、アノードガスが所定の流量だけが供給されるようにする（Ｓ３５３）。
【０１０８】
なお、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間においては、スタック電圧Ｖｓが上昇するが、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給は停止されているので、燃料電池スタック１では発電が行われていない。そのため、図４（ａ）に示すように、スタック温度Ｔｓは低下し続ける。
【０１０９】
時刻ｔ２においては、図４（ａ）に示すように、スタック温度Ｔｓが閾値温度Ｔｔｈとなる。ここで、図３Ａを参照すると、スタック温度Ｔｓが閾値温度Ｔｔｈ以下となる場合には（Ｓ３６：Ｎｏ）、制御部６は、電力供給制御（Ｓ３７）を行う。図３Ｃに示されるように、電力供給制御においては、燃料電池スタック１からの電力供給を開始させることで（Ｓ３７２）、燃料電池スタック１を発電させて発熱させる。そのため、図４（ａ）に示すように、時刻ｔ２以降においては、燃料電池スタック１が発電を再開するので、スタック温度Ｔｓは上昇を開始する。また、図４（ｆ）に示すように、燃料電池スタック１から燃料電池システム１０の補機などに供給されるスタック電流が増加する。
【０１１０】
そして、時刻ｔ２ａにおいて、スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔｍａｘに達すると（Ｓ３７１：Ｎｏ）、図４（ｆ）に示すように、燃料電池スタック１からの電力供給が停止される（Ｓ３７３）。したがって、図４（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の発電が停止されるので、スタック温度Ｔｓの温度の上昇が停止する。
【０１１１】
ここで、図４（ｂ）、（ｃ）を参照すれば、時刻ｔ２から時刻ｔ２ａまでの間においては、燃料電池スタック１において発電が行われているため、スタック電圧Ｖｓ及びアノードガス分圧が一時的に低下する。時刻ｔ２ａにおいて燃料電池スタック１の発電が停止されると、スタック電圧Ｖｓ及びアノードガス分圧は再び増加する。
【０１１２】
時刻ｔ３、ｔ３ａ、ｔ４、及び、ｔ４ａにおいては、それぞれ、時刻ｔ１、ｔ１ａ、ｔ２、及び、ｔ２ａと同様の処理が、燃料電池システム１０内で行われる。
【０１１３】
なお、本実施形態では、負荷装置９０は、バッテリ９２が満充電となり、負荷装置９０の負荷（要求電力）がゼロよりも大きくなった場合に、ＩＳ運転要求を燃料電池システム１０に発行する例について説明したが、これに限らない。負荷装置９０は、バッテリ９２の充電量が充電が必要となる所定の残量（例えば、９０％）以下である時にＩＳ運転要求を燃料電池システム１０に発行してもよい。
【０１１４】
第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１１５】
第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、発電運転ステップ（Ｓ３１）を実行中の燃料電池システム１０は、負荷（要求電力）が所定の値以下になりＩＳ運転要求を受けつけると（Ｓ３２：Ｙｅｓ）、自立運転ステップ（Ｓ３３〜Ｓ３７）を実行する。自立運転ステップにおいては、燃料電池スタック１に、所定の流量のアノードガス、及び、所定の流量のカソードガスが供給される（Ｓ３３）。
【０１１６】
ここで、燃料電池スタック１のアノード極は、酸素に触れてしまうと酸化しやすい。そのため、燃料電池スタック１内でカソードガスがアノード極に透過してしまうと、アノード極が劣化するおそれがある。そこで、自立運転が行われる間、所定量のアノードガスを燃料電池スタック１に供給することにより、アノード極へとカソードガスが透過したとしても、透過したカソードガスに含まれる酸素がアノードガスとの直接化学反応によって消費される。このようにすることで、アノード極において、アノードガス濃度が高濃度に維持されることにより酸素分圧を低下させることができるので、アノード極の酸化劣化を防止することができる。
【０１１７】
また、燃料電池スタック１から負荷装置９０への電力供給が行われていない場合であっても、アノードガス及びカソードガスが燃料電池スタック１に供給されることにより、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との直接化学反応が進行する。そのため、自立運転時におけるスタック電圧の低下を抑制することができる。
【０１１８】
また、第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、燃料電池スタック１のカソード極の電位が維持できるだけの流量のカソードガスが供給される。このようにすることで、カソード極の電位が維持されて、カソードガスの不足に起因する電圧低下が抑制される。そのため、アノードガスのみを制御することで、燃料電池スタック１の電圧を制御することができる。
【０１１９】
また、第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、自立運転が行われる間、燃料電池スタック１には、アノード極へと透過するカソードガスに含まれる酸素を消費できる所定の流量のアノードガスが供給される。そのため、必要以上のアノードガスを消費することなく、アノード極の酸化劣化を抑制することができる。
【０１２０】
さらに、燃料電池スタック１には、カソードガス不足に起因する電圧低下が発生しないような所定の流量のカソードガスが供給される。カソードガス不足に起因する電圧低下が抑制されることにより、アノードガスのみを制御することで、燃料電池スタック１の電圧を制御することができる。したがって、燃料電池システム１０の制御性が向上する。
【０１２１】
また、第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、スタック電圧Ｖｓに応じて、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給流量を変化させる電圧維持ステップ（Ｓ３４、３５）が実行される。ここで、スタック電圧Ｖｓが低下する場合には、アノードガス濃度の低下に伴って酸素分圧が増加しているため、燃料電池スタック１のアノード電極が酸化しやすい。そこで、スタック電圧Ｖｓが所定の電圧範囲となるように維持する電圧維持ステップ（Ｓ３４、３５）が実行されることにより、アノード電極の酸化劣化を抑制することができる。
【０１２２】
また、第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、スタック電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｔｈを下回る（Ｓ３４：Ｎｏ）時には、スタック電圧Ｖｓが上限電圧Ｖｍａｘとなるように、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給流量を増加させる（Ｓ３５２）。そして、スタック電圧Ｖｓが上限電圧Ｖｍａｘとなると（Ｓ３５１：Ｙｅｓ）、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給流量を減少させる（Ｓ３５３）。このようにすることで、スタック電圧Ｖｓを、閾値電圧Ｖｔｈと上限電圧Ｖｍａｘとの温度範囲内に維持することができる。
【０１２３】
また、第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、燃料電池スタック１の温度（スタック温度）が所定の温度範囲内となるような温度維持ステップ（Ｓ３６、３７）が実行される。このようにすることで電解質層における酸素イオンの電導度が確保されることにより、燃料電池スタック１が常に適切に発電できる温度となるため、燃料電池スタック１はすぐに発電を再開することができる。したがって、自立運転状態から発電運転状態へ遷移する際の遅れを抑制することができる。
【０１２４】
また、第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、温度維持ステップにおいて、燃料電池システム１０から負荷装置９０への電力供給を行う電力供給ステップ（Ｓ３７）を実行する。スタック温度Ｔｓが閾値温度Ｔｔｈを下回る（Ｓ３６：Ｎｏ）時に、燃料電池スタック１の電力供給を開始させる（Ｓ３７２）。そして、スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔｍａｘとなる時に（Ｓ３７１：Ｙｅｓ）、電力供給を停止する（Ｓ３７３）。このようにすることで、スタック温度Ｔｓが維持されるので、自立運転状態から発電運転状態に遷移するのに要する時間を短縮することができる。
【０１２５】
また、第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、電力供給ステップ（Ｓ３７）が行われる場合には、燃料電池スタック１からカソードコンプレッサ９などの燃料電池システム１０の補機へ電力が供給される。このようにすることで、新たな補機を追加することなく燃料電池スタック１は電力供給系統５以外に電力供給ができるので、燃料電池システム１０の構成を簡略化することができる。
【０１２６】
また、第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、電力供給ステップ（Ｓ３７）が行われる場合における燃料電池スタック１へのカソードガスの供給流量は、発電運転時の燃料電池スタック１へのカソードガスの供給流量よりも少ない。このようにすることで、比較的低温のカソードガスの燃料電池スタック１への流入を抑制することができるので、燃料電池スタック１の温度低下を妨げることができる。
【０１２７】
また、第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、排気燃焼器４０によって、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスを混合し、その混合気を燃焼させる。このようにすることで、アノードオフガスに含まれる未燃ガスが完全に燃焼されるので、未燃ガスに含まれるアノードガスが燃料電池システム１０外に排出されるのを妨げることができる。
【０１２８】
（第２実施形態）
図５Ａは、本発明の第２実施形態における燃料電池システム１０の運転制御に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【０１２９】
図５Ａに示した燃料電池システム１０の運転制御は、図３Ａに示した第１実施形態の燃料電池システム１０の運転制御と比較すると、ステップＳ３７の処理がステップＳ５１の処理に変更されている点が異なる。
【０１３０】
ステップＳ５１においては、加熱装置制御が行われる。この加熱装置制御の詳細が、図５Ｂに示されている。
【０１３１】
図５Ｂを参照すると、まず、ステップＳ５１１において、制御部６は、スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔｍａｘ以上であるか否かを判定する。スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔｍａｘ以上である場合には（Ｓ５１１：Ｎｏ）、スタック温度Ｔｓを大きくする必要があると判断して、Ｓ５１３の処理に進む。スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔｍａｘを下回る場合には（Ｓ５１１：Ｙｅｓ）、スタック温度Ｔｓを大きくする必要があると判断して、ステップＳ５１２に進む。
【０１３２】
ステップＳ５１２において、制御部６は、加熱装置３５を起動させるとともに、制御弁２３２を制御して加熱装置３５への燃料の供給流量を大きくする。このようにすることで、加熱装置３５の発熱量が大きくなるので、コンプレッサ３２を介してカソードガス供給通路３３を通るカソードガスは、加熱装置３５によってさらに加熱された後に、燃料電池スタック１に供給される。その結果、スタック温度Ｔｓが上昇する。
【０１３３】
Ｓ５１２の処理が行われた後には、ステップＳ５１１の処理に戻る。そのため、この加熱装置３５の駆動は、スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔｍａｘを上回るまで行われることになる。
【０１３４】
ステップＳ５１３において、制御部６は、加熱装置３５を停止させるとともに、制御弁２３２を閉じて加熱装置３５への燃料供給を停止する。このようにして、スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔｍａｘまで上昇することになる。したがって、スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔｍａｘまで上昇することになるので、スタック温度Ｔｓは、常に発電に適した温度となり、ＩＳ運転状態から発電運転状態への遷移に要する時間を短縮することができる。
【０１３５】
図６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。
【０１３６】
図６は、第１実施形態におけるタイムチャートを示す図４と比較すると、図４（ｆ）ではスタック電流の変化が示されているのに対して、図６（ｆ）では加熱装置３５への燃料の供給流量の変化が示されている点が異なる。以下では、図６（ｆ）に示された燃料供給量が変化する時刻ｔ０、ｔ２、及び、ｔ２ａの制御についてのみ説明する。なお、時刻ｔ４、及び、ｔ４ａにおいては、時刻ｔ２、及び、ｔ２ａのそれぞれと同様の処理が行われる。
【０１３７】
図６（ｆ）を参照すれば、時刻ｔ０においてＩＳ運転要求が発行されると、制御部６は、制御弁２３２を閉じて加熱装置３５への燃料供給を停止する。そのため、図６（ｃ）に示すアノードガス分圧の低下、及び、図６(ｂ)に示すスタック電圧Ｖｓの低下が開始される。図６（ａ）に示すようにスタック温度Ｔｓの低下も開始される。
【０１３８】
そして、時刻ｔ２において、図６（ａ）に示すように、スタック温度Ｔｓが閾値温度Ｔｔｈ以下となる（Ｓ３６：Ｎｏ）。時刻ｔ２では、図６(ｆ)に示すように、制御部６は、加熱装置３５を起動させるとともに、制御弁２３２を開き加熱装置３５への燃料供給を開始する（Ｓ５１２）。燃料電池スタック１には加熱装置３５により加熱されたカソードガスが供給されるので、図６（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の温度の上昇が開始される。
【０１３９】
その後、時刻ｔ２ａにおいて、図６（ａ）に示すように、スタック温度Ｔｓが上限温度Ｔｍａｘとなる（Ｓ５１１：Ｙｅｓ）。時刻ｔ２ａでは、図６(ｆ)に示すように、制御部６は、加熱装置３５を停止させるとともに、制御弁２３２を閉じて加熱装置３５への燃料供給を停止する（Ｓ５１３）。そのため、図６（ａ）に示すように、スタック温度Ｔｓの上昇が停止される。
【０１４０】
なお、時刻ｔ２から時刻ｔ２ａまでの間において、燃料電池スタック１は発電（電気化学反応）を行わない。ここで、図４（ｂ）に示された第１実施形態においては、時刻ｔ２から時刻ｔ２ａまでの間において、燃料電池スタック１の発電に起因してスタック電圧Ｖｓは一時的に減少した。しかしながら、図６（ｂ）に示された本実施形態では、時刻ｔ２から時刻ｔ２ａまでの間において、燃料電池スタック１は発電を行わないため、スタック電圧Ｖｓの一時的な減少は発生しない。したがって、図６（ｃ）に示されたアノードガス分圧も一時的に減少することはない。
【０１４１】
第２実施形態の燃料電池システム１０によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１４２】
第２実施形態の燃料電池システム１０によれば、温度維持ステップにおいて、加熱装置３５を動作させる加熱燃焼ステップ（Ｓ５１２）が実行される。加熱装置３５に燃料が供給されると、カソードガス供給通路３３を通るカソードガスは、加熱装置３５によって加熱された後に、燃料電池スタック１に供給される。すると、燃料電池スタック１の温度が上昇し、電解質層における酸素イオンの電導度が確保されるので、燃料電池スタック１が発電を適切に行うことができる。したがって、自立運転状態から発電運転状態に遷移する際の遅れを抑制することができる。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【０１４６】
本国際出願は，２０１５年１２月１５日に日本国特許庁に出願された特願２０１５−２５３８８７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】
2017110367.tif 000003
【図２Ａ】
2017110367.tif 000004
【図２Ｂ】
2017110367.tif 000005
【図２Ｃ】
2017110367.tif 000006
【図２Ｄ】
2017110367.tif 000007
【図３Ａ】
2017110367.tif 000008
【図３Ｂ】
2017110367.tif 000009
【図３Ｃ】
2017110367.tif 000010
【図４】
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【図５Ａ】
2017110367.tif 000012
【図５Ｂ】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年8月18日(2017.8.18)
【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】
アノードガス及びカソードガスが供給されると共に、負荷に応じて発電する固体酸化物型の燃料電池を備え、当該燃料電池へのガスの供給と発電を制御する燃料電池システムの制御方法であって、
前記負荷の大きさに応じて、前記燃料電池へと流れる前記アノードガス及び前記カソードガスの流量を制御する発電運転ステップと、
前記負荷が所定の値以下である場合には、前記燃料電池に自立運転を行わせる自立運転ステップと、を有し、
前記自立運転ステップは、
前記燃料電池に、所定の流量の前記アノードガス、及び、所定の流量の前記カソードガスを供給するガス供給ステップを有し、
前記ガス供給ステップにおいて、前記燃料電池に、前記燃料電池のカソード極の電位が維持される流量の前記カソードガスを供給する、
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、
前記ガス供給ステップにおいて、前記燃料電池に、前記燃料電池内において前記カソードガスのアノード電極への透過を抑制する流量の前記アノードガス、及び、該アノードガスの全てが前記燃料電池内にで反応する流量の前記カソードガスを供給する、
燃料電池システムの制御方法。
【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に応じて、前記アノードガスの流量を変化させる電圧維持ステップを、さらに有する、
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、
前記電圧維持ステップにおいて、前記燃料電池の電圧が下限値を下回る場合には、前記燃料電池の電圧が上限値となるように、前記アノード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５】
請求項１から４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、
前記燃料電池の温度を、前記燃料電池が発電可能な温度範囲に維持する温度維持ステップを、さらに有する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記温度維持ステップは、
前記燃料電池の温度が下限値を下回る場合には、前記燃料電池を発電させて前記燃料電池から電力を供給させ、前記燃料電池の温度が上限値を上回る場合には、前記燃料電池の発電を停止する、電力供給ステップを有する、
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、
前記燃料電池システムは、補機をさらに有し、
前記電力供給ステップにおいて、前記燃料電池から前記補機に電力を供給する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記電力供給ステップにおける前記カソードガスの流量は、前記発電運転ステップにおける前記カソードガスの流量よりも小さい、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
請求項５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、
前記燃料電池に前記カソードガスを供給する流路に設けられる起動燃焼器を、さらに有し、
前記温度維持ステップは、
前記起動燃焼器を起動させる起動燃焼ステップを有する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項１から９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、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスを混合し、該混合されたガスを燃焼させる排気燃焼器を、さらに有し、
前記自立運転ステップは、
前記排気燃焼器を起動させる排気燃焼ステップを、さらに有する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
アノードガス及びカソードガスが供給される燃料電池と、
前記燃料電池に前記アノードガス及び前記カソード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、前記ガス供給装置から前記燃料電池のアノードに前記アノードガスを供給するとともに前記燃料電池のカソードに前記燃料電池のカソード極の電位が維持される流量の前記カソードガスを供給する、
燃料電池システム。
【国際調査報告】
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