(57)【要約】  燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池を備える。燃料電池システムは、燃料電池から排出されるアノードオフガスを流すアノード排出通路と、燃料電池から排出されるカソードオフガスを流すカソード排出通路と、アノード排出通路とカソード排出通路とが合流する合流部と、を備える。さらに、燃料電池システムは、システム停止中に、燃料タンクに蓄えられた燃料を用いた燃料ガスをアノード排出通路内に供給するガス供給部を備える。
2017104213.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の供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを流すアノード排出通路と、
前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを流すカソード排出通路と、
前記アノード排出通路と前記カソード排出通路とが合流する合流部と、
システム停止中に、燃料タンクに蓄えられた燃料を用いた燃料ガスを前記アノード排出通路内に供給するガス供給部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度を検出又は推定する温度検知部をさらに備え、
前記ガス供給部は、システム停止中であって、前記燃料電池の温度が前記燃料電池のアノード電極が酸化劣化しない基準温度よりも高い場合に、前記アノード排出通路に燃料ガスを供給する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス供給部は、前記燃料電池の温度が低いほど燃料ガス供給量を増加させる、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記アノード排出通路内の酸素濃度を検出又は推定する酸素濃度検知部をさらに備え、
前記ガス供給部は、前記酸素濃度に応じて燃料ガス供給量を調整する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス供給部は、前記酸素濃度と前記燃料電池のアノード電極が酸化劣化しない基準濃度との偏差が大きいほど燃料ガス供給量を増加させる、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記基準濃度は、前記燃料電池の温度が低いほど小さく設定される、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記合流部は、アノードオフガス及びカソードオフガスを燃焼させる排気燃焼器である、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項２から７のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記ガス供給部は、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給部とは異なる供給部として構成されており、前記アノード排出通路に設けられるインジェクタを備え、
前記インジェクタは、前記燃料タンクから供給される燃料を気化させる加熱器を含み、気化燃料を燃料ガスとして前記アノード排出通路に供給するよう構成される、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードガス供給部を構成し、前記燃料タンクから供給される燃料をアノードガスに改質して当該アノードガスを前記燃料電池に供給する改質器と、
前記改質器の温度を検出又は推定する改質器温度検知部と、をさらに備え、
前記燃料電池の温度が前記基準温度よりも高く、前記改質器の温度が改質器基準温度よりも高い場合には、前記改質器で改質されたアノードガスが燃料ガスとして前記アノード排出通路に供給され、
前記燃料電池の温度が前記基準温度よりも高く、前記改質器の温度が前記改質器基準温度以下の場合には、前記インジェクタからの気化燃料が前記アノード排出通路に供給される、
燃料電池システム。
【請求項１０】
アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池と、
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それぞれ流すアノード排出通路及びカソード排出通路と、
前記アノード排出通路と前記カソード排出通路とが合流する合流部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
システム停止中に、燃料タンクに蓄えられた燃料を用いた燃料ガスを前記アノード排出通路内に供給する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の温度を検出又は推定し、
システム停止中であって、前記燃料電池の温度が前記燃料電池のアノード電極が酸化劣化しない基準温度よりも高い場合に、前記アノード排出通路に前記燃料ガスを供給する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
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、
前記燃料電池の温度が低いほど、前記燃料ガスの供給量を増加させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
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、
前記アノード排出通路内の酸素濃度を検出又は推定し、
前記酸素濃度に応じて、前記燃料ガスの供給量を調整する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記酸素濃度と前記燃料電池のアノード電極が酸化劣化しない基準濃度との偏差が大きいほど、前記燃料ガスの供給量を増加させる、
燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型燃料電池を備え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】
近年、地球環境問題への関心の高まりから各種燃料電池の自動車への利用が検討されている。例えば、発電効率の高い固体酸化物型燃料電池の場合、水素や炭化水素等を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスとの電気化学的反応により発電が行われる。【０００３】
ＪＰ２００５−１７９０８１Ａには、固体酸化物型燃料電池から排出されるアノードオフガスを流すアノード排出通路と、固体酸化物型燃料電池から排出されるカソードオフガスを流すカソード排出通路と、これら通路を合流させる合流部とを備える燃料電池システムが開示されている。アノードオフガス及びカソードオフガスは、合流部のバーナにより燃焼され、その後燃料電池システムの外部に排出される。
【発明の概要】
【０００４】
このような固体酸化物型燃料電池システムでは、システム停止要求等に応じてシステム停止制御が実行される。固体酸化物型燃料電池システムでは燃料電池の動作温度が約８００度と高いため、システム停止制御では、燃料電池システムの動作を完全停止する前に、カソードガスの供給を継続しつつアノードガスの供給を停止することで燃料電池の冷却処理が実行される。冷却処理中は酸素を含むカソードガス（例えば空気）が燃料電池のカソード側に供給され続け、燃料電池を通過した空気はカソードオフガスとしてカソード排出通路を通ってアノードオフガスとの合流部に流れ込む。
【０００５】
システム停止制御ではアノードガスの供給が停止されているため、合流部に到達した空気の一部は当該合流部からアノード排出通路内に流入することとなる。空気等のような酸素を含むガスがアノード排出通路に流入すると、アノード排出通路及び燃料電池のアノード流路内の酸素濃度（酸素分圧）が増加する。アノード流路内の酸素濃度が高く、かつ燃料電池が十分に冷却されていない状態では、燃料電池のアノード電極が酸化劣化する可能性がある。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、システム停止中における燃料電池のアノード電極の酸化劣化を抑制することが可能な技術を提供することである。
【０００７】
本発明の一態様による燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池を備える。燃料電池システムは、燃料電池から排出されるアノードオフガスを流すアノード排出通路と、燃料電池から排出されるカソードオフガスを流すカソード排出通路と、アノード排出通路とカソード排出通路とが合流する合流部と、を備える。さらに、燃料電池システムは、システム停止中に、燃料タンクに蓄えられた燃料を用いた燃料ガスをアノード排出通路内に供給するガス供給部を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図２は、第１実施形態による固体酸化物型燃料電池システムのシステム起動制御を示すフローチャートである。
【図３】図３は、第１実施形態による固体酸化物型燃料電池システムのシステム停止制御を示すフローチャートである。
【図４】図４は、システム停止制御中における燃料ガス供給量の変化及びアノード排出通路内の酸素濃度の変化について説明する図である。
【図５】図５は、第１実施形態の一変形例による固体酸化物型燃料電池システムのシステム停止制御を示すフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の第２実施形態による固体酸化物型燃料電池システムの概略構成図である。
【図７】図７は、第２実施形態による固体酸化物型燃料電池システムのシステム停止制御を示すフローチャートである。
【図８】図８は、システム停止制御中における燃料ガス供給量の変化及びアノード排出通路内の酸素濃度の変化について説明する図である。
【図９】図９は、第２実施形態の一変形例による固体酸化物型燃料電池システムのシステム停止制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態による固体酸化物型燃料電池システム１００の主要構成を示す概略構成図である。
【００１１】
図１に示すように、燃料電池システム１００は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池スタック１０を備える固体酸化物型燃料電池システムである。燃料電池システム１００は、例えば電動車両用の電源システムの一部を構成する。
【００１２】
燃料電池スタック１０は、複数の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を積層した積層電池である。一の固体酸化物型燃料電池（燃料電池セル）は、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層を、アノードガスが供給されるアノード電極と、カソードガスが供給されるカソード電極により挟み込むことにより構成されている。例えば、アノードガスは水素及び炭化水素等を含むガスであり、カソードガスは酸素等を含むガスである。
【００１３】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０にアノードガスを供給するアノードガス供給系統２０と、システム起動時に利用されるシステム起動系統３０と、燃料電池スタック１０にカソードガスを供給するカソードガス供給系統４０と、燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガス及びカソードオフガスを排気する排気系統５０と、燃料電池スタック１０との間で電力の入出力を行う電力系統６０から構成される。さらに、燃料電池システム１００は、システム全体の動作を統括的に制御する制御部８０を備えている。
【００１４】
アノードガス供給系統２０は、アノード供給通路２１と、燃料タンク２２と、フィルタ２３と、ポンプ２４と、インジェクタ２５と、蒸発器２６と、熱交換器２７と、改質器２８等を備えている。
【００１５】
アノード供給通路２１は、燃料タンク２２と、燃料電池スタック１０内に形成されたアノード流路とを接続する通路である。
【００１６】
燃料タンク２２は、例えばエタノールと水を混合させた改質用の液体燃料を蓄える容器である。ポンプ２４は、燃料タンク２２よりも下流側のアノード供給通路２１に設けられる。ポンプ２４は、燃料タンク２２内に蓄えられた改質用燃料を吸引し、当該燃料を一定の圧力でインジェクタ２５等に供給する。
【００１７】
フィルタ２３は、燃料タンク２２とポンプ２４との間のアノード供給通路２１に配置される。フィルタ２３は、ポンプ２４に吸引される前の改質用燃料に含まれる異物等を除去する。
【００１８】
インジェクタ２５は、ポンプ２４と蒸発器２６との間のアノード供給通路２１に配置される。インジェクタ２５は、ポンプ２４から供給された燃料を蒸発器２６内に噴射供給する。
【００１９】
蒸発器２６は、インジェクタ２５よりも下流側のアノード供給通路２１に設けられる。蒸発器２６は、インジェクタ２５から供給された燃料を気化させ、熱交換器２７に供給する。蒸発器２６は、後述する排気燃焼器５３から排出される排気の熱を利用して燃料を気化させる。
【００２０】
熱交換器２７は、蒸発器２６よりも下流側のアノード供給通路２１に設けられ、排気燃焼器５３に隣接するように配置される。熱交換器２７は、排気燃焼器５３から伝達してくる熱を利用し、蒸発器２６において気化した燃料をさらに加熱する。蒸発器２６と熱交換器２７との間のアノード供給通路２１には、熱交換器２７に供給される気化燃料の圧力を調整する調圧弁２９が設けられる。調圧弁２９の開度は制御部８０によって制御される。
【００２１】
改質器２８は、熱交換器２７と燃料電池スタック１０との間のアノード供給通路２１に設けられる。改質器２８は、当該改質器２８内に設けられた触媒を用いて燃料を改質する。改質用燃料は、改質器２８での触媒反応により、水素や炭化水素、一酸化炭素等を含むアノードガスに改質される。このように改質されたアノードガスは、高温状態のまま燃料電池スタック１０のアノード流路に供給される。
【００２２】
なお、アノード供給通路２１は、当該アノード供給通路２１から分岐する分岐路７１，７２，７３を備える。分岐路７１は、ポンプ２４とインジェクタ２５との間のアノード供給通路２１から分岐し、拡散燃焼器３１に燃料を供給するインジェクタ７１Ａに接続する。分岐路７１には、当該分岐路７１を開閉する開閉弁７１Ｂが設けられている。分岐路７２は、ポンプ２４とインジェクタ２５とのアノード供給通路２１から分岐し、触媒燃焼器３２に燃料を供給するインジェクタ７２Ａに接続する。分岐路７２には、当該分岐路７２を開閉する開閉弁７２Ｂが設けられている。分岐路７３は、ポンプ２４とインジェクタ２５とのアノード供給通路２１から分岐し、アノード排出通路５１に燃料を供給するインジェクタ７３Ａに接続する。分岐路７３には、当該分岐路７３を開閉する開閉弁７３Ｂが設けられている。インジェクタ７１Ａ，７３Ａのそれぞれには、液体燃料を気化させるための加熱装置として電気ヒータ７１Ｃ，７３Ｃが設置されている。
【００２３】
上述した開閉弁７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂの開度は制御部８０によって制御される。開閉弁７１Ｂ，７２Ｂは、例えば、燃料電池システム１００の起動時に開弁され起動終了後に閉弁される。また、開閉弁７３Ｂは、例えば、燃料電池システム１００の停止時に開弁されシステム起動中及び通常運転中等には閉弁される。
【００２４】
次に、図１を参照して、カソードガス供給系統４０及びシステム起動系統３０について説明する。
【００２５】
カソードガス供給系統４０は、カソード供給通路４１と、フィルタ４２と、コンプレッサ４３と、熱交換器４４等を備えている。システム起動系統３０は、拡散燃焼器３１及び触媒燃焼器３２等を備えている。
【００２６】
カソード供給通路４１は、コンプレッサ４３と、燃料電池スタック１０内に形成されたカソード流路とを接続する通路である。
【００２７】
コンプレッサ４３は、フィルタ４２を通じて外気（空気）を取り入れ、取り入れた空気をカソードガスとして燃料電池スタック１０等に供給する空気供給装置である。フィルタ４２は、コンプレッサ４３に取り込まれる前の空気に含まれる異物を除去する。
【００２８】
熱交換器４４は、コンプレッサ４３よりも下流側のカソード供給通路４１に設けられる。熱交換器４４は、排気燃焼器５３から排出された排気の熱を利用して、カソードガス（空気）を加熱する装置である。熱交換器４４で加熱されたカソードガスは、システム起動系統３０の一部を構成する拡散燃焼器３１に供給される。
【００２９】
コンプレッサ４３と熱交換器４４との間のカソード供給通路４１にはスロットル４５（流量調整部）が設けられており、スロットル４５の開度に応じてカソードガスの流量が調整される。スロットル４５の開度は制御部８０によって制御される。
【００３０】
なお、カソード供給通路４１は、当該カソード供給通路４１から分岐する分岐路４６を備える。分岐路４６は、コンプレッサ４３とスロットル４５との間のカソード供給通路４１から分岐し、後述する触媒燃焼器３２に接続する。分岐路４６にはスロットル４６Ａが取り付けられ、スロットル４６Ａの開度に応じて空気流量が調整される。スロットル４６Ａの開度は制御部８０によって制御される。スロットル４６Ａは、燃料電池システム１００の起動時に一定量の空気を触媒燃焼器３２に供給させるように開弁され、起動終了後は閉弁される。
【００３１】
システム起動系統３０を構成する拡散燃焼器３１及び触媒燃焼器３２は、基本的にシステム起動中（始動中）に使用される装置である。
【００３２】
拡散燃焼器３１は、熱交換器４４よりも下流側のカソード供給通路４１に配置される。システム起動時（始動時）には、コンプレッサ４３からの空気と、インジェクタ７１Ａから噴射された燃料が拡散燃焼器３１内に供給される。インジェクタ７１Ａから噴射される燃料は電気ヒータ７１Ｃで加熱され、気化した状態で拡散燃焼器３１に供給される。そして、拡散燃焼器３１に付属する着火装置により混合気が着火され、触媒燃焼器３２を加熱するための予熱バーナが形成される。
【００３３】
起動終了後には、燃料の供給及び着火装置の作動が停止され、コンプレッサ４３から供給された空気は拡散燃焼器３１を通過して触媒燃焼器３２に供給される。
【００３４】
触媒燃焼器３２は、拡散燃焼器３１と燃料電池スタック１０との間のカソード供給通路４１に設けられる。触媒燃焼器３２は内部に触媒を備えており、当該触媒を用いて燃焼ガスを生成する装置である。システム起動時には、分岐路４６からの空気と、インジェクタ７２Ａから噴射された燃料が触媒燃焼器３２内に供給される。触媒燃焼器３２の触媒は予熱バーナにより加熱されており、加熱された触媒上で空気と燃料が燃焼して燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、酸素をほとんど含まない高温の不活性ガスであって、燃料電池スタック１０に供給され、当該燃料電池スタック１０等を加熱する。
【００３５】
起動終了後は分岐路７２，４６から燃料及び空気の供給が停止され、コンプレッサ４３からの空気（アノードガス）は拡散燃焼器３１及び触媒燃焼器３２を通じて燃料電池スタック１０に供給される。
【００３６】
次に、排気系統５０について説明する。排気系統５０は、アノード排出通路５１と、カソード排出通路５２と、排気燃焼器５３と、合流排気通路５４等を備えている。
【００３７】
アノード排出通路５１は、燃料電池スタック１０のアノード流路と排気燃焼器５３のアノード側入口部とを接続する。アノード排出通路５１は、燃料電池スタック１０のアノード流路から排出されるアノードガスを含む排出ガス（アノードオフガス）を流す通路である。
【００３８】
カソード排出通路５２は、燃料電池スタック１０のカソード流路と排気燃焼器５３のカソード側入口部とを接続する。カソード排出通路５２は、燃料電池スタック１０のカソード流路から排出されるカソードガスを含む排出ガス（カソードオフガス）を流す通路である。
【００３９】
排気燃焼器５３は、各排出通路５１，５２から供給されたアノードオフガスとカソードオフガスを触媒燃焼させ、二酸化炭素や水を主成分とする排気を生成する。排気燃焼器５３の触媒が機能するためには、触媒温度が活性温度以上となっている好ましい。したがって、例えばシステム起動時には、排気燃焼器５３の触媒は触媒燃焼器３２で生成された燃焼ガスにより加熱される。なお、システム起動時には、排気燃焼器５３に燃料及び空気を供給して排気燃焼器５３内での触媒燃焼を促進させることで、触媒温度の昇温効率を高めてもよい。
【００４０】
排気燃焼器５３は熱交換器２７と隣接するように配置されているため、排気燃焼器５３の触媒燃焼による熱は熱交換器２７に伝達される。このように熱交換器２７に伝達された熱は、燃料を加熱するために使用される。
【００４１】
排気燃焼器５３のガス出口部（下流端）には、合流排気通路５４が接続されている。排気燃焼器５３から排出された排気は、合流排気通路５４を通じて、燃料電池システム１００の外部に排出される。合流排気通路５４は蒸発器２６及び熱交換器４４を通過するように構成されており、蒸発器２６及び熱交換器４４は合流排気通路５４を通過する排気により加熱される。
【００４２】
上述した排気燃焼器５３及び合流排気通路５４は、燃料電池スタック１０から排出されるガス等をまとめて流す合流部として機能する。
【００４３】
次に、電力系統６０について説明する。電力系統６０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１と、バッテリ６２と、駆動モータ６３等を備えている。
【００４４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ６１は、燃料電池スタック１０に電気的に接続され、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧してバッテリ６２又は駆動モータ６３に電力を供給する。バッテリ６２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１から供給された電力を充電したり、駆動モータ６３に電力を供給したりするよう構成されている。
【００４５】
駆動モータ６３は、三相交流モータであって、車両の動力源として機能する。駆動モータ６３は、インバータを介してバッテリ６２及びＤＣ−ＤＣコンバータ６１に接続されている。制動時には駆動モータ６３は回生電力を発生させ、この回生電力は例えばバッテリ６２の充電に利用される。
【００４６】
制御部８０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。制御部８０は、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１００を制御するための処理を実行する。
【００４７】
制御部８０には、電流センサ８１や電圧センサ８２、温度センサ８３等の各種センサからの信号の他、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ８４等の車両状態を検出するセンサからの信号が入力される。
【００４８】
電流センサ８１は、燃料電池スタック１０から取り出される出力電流を検出する。電圧センサ８２は、燃料電池スタック１０の出力電圧、つまりアノード電極側端子とカソード電極側端子の間の端子間電圧を検出する。温度センサ８３は、燃料電池スタック１０に設けられ、当該燃料電池スタック１０の温度を検出又は推定する。
【００４９】
上述した固体酸化物型燃料電池システム１００では、運転者のキーオフ操作に基づくシステム停止要求等に応じてシステム停止制御が実行される。燃料電池システム１００では燃料電池スタック１０の動作温度が高いため、システム停止制御においては燃料電池システム１００の動作を完全停止する前に燃料電池スタック１０の冷却処理が実行される。なお、燃料電池システム１００は燃料電池スタック１０で発電した電力をバッテリ６２に充電可能に構成されており、システム停止制御はバッテリ６２が満充電となった場合に実行されてもよい。システム停止制御は、システム停止中に実行される制御であり、例えば燃料電池スタック１０の温度がアノード電極の酸化劣化を抑制若しくは防止できる温度に到達したら終了するものである。一方、システム停止中とは、システム停止制御の開始後から次回のシステム起動時までの期間を意味する。
【００５０】
冷却処理はカソードガスの供給を継続しつつアノードガスの供給を停止することで実行され、燃料電池スタック１０はカソードガスによって冷却される。冷却処理中はカソードガス（空気）が燃料電池スタック１０に供給され続け、燃料電池スタック１０を通過した空気はカソードオフガスとしてカソード排出通路５２を通って排気燃焼器５３に流れ込む。
【００５１】
燃料電池スタック１０の冷却中はアノードガスの供給が停止されているため、排気燃焼器５３（合流部）に到達したカソードガスの一部は当該排気燃焼器５３からアノード排出通路５１内に流入することとなる。酸素を含むガスがアノード排出通路５１に逆流すると、アノード排出通路５１及び燃料電池スタック１０のアノード流路内の酸素濃度が増加する。アノード流路内の酸素濃度が高く、かつ燃料電池スタック１０が十分に冷却されていない状態では、燃料電池スタック１０のアノード電極が酸化劣化する可能性がある。例えば固体酸化物型の燃料電池ではアノード電極がニッケル等の金属により構成されている場合には、このニッケル（Ｎｉ）がアノードガス中の酸素によって酸化してＮｉＯになる。この際に体積膨張して、アノード電極及び電解質等に亀裂を発生させるおそれがある。
【００５２】
そこで、本実施形態による燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０の冷却中におけるアノード排出通路５１内の酸素濃度の増加を抑制することで、アノード電極の酸化劣化を抑制する。
【００５３】
以下では、まず図２を参照して燃料電池システム１００のシステム起動制御について説明し、その後図３を参照して燃料電池システム１００のシステム停止制御について説明する。燃料電池スタック１０の冷却処理はシステム停止制御中に実行される処理である。
【００５４】
図２は、燃料電池システム１００の制御部８０が実行するシステム起動制御を示すフローチャートである。システム起動制御は、燃料電池システム１００に対する起動要求（運転者のキーオン操作等の起動要求）後に繰り返し実行される。
【００５５】
図２に示すように、システム起動制御の開始後、制御部８０はステップ１０１（Ｓ１０１）の処理を実行する。Ｓ１０１では、制御部８０は、温度センサ８３を用いて燃料電池スタック１０の温度（燃料電池温度Ｔｆｃ）を取得する。
【００５６】
Ｓ１０２では、制御部８０は、燃料電池温度Ｔｆｃが予め設定された作動温度Ｔｓに到達したか否かを判定する。作動温度Ｔｓは、燃料電池スタック１０において所定発電効率以上で発電が可能な温度として設定されている。
【００５７】
燃料電池温度Ｔｆｃが作動温度Ｔｓよりも低い場合には、制御部８０は、燃料電池スタック１０を暖機する必要があると判断し、Ｓ１０３及びＳ１０４の処理を実行する。
【００５８】
Ｓ１０３では、制御部８０は、コンプレッサ４３を駆動し、スロットル４５，４６Ａ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３１及び触媒燃焼器３２に空気が供給される。
【００５９】
Ｓ１０３の処理後、制御部８０は、Ｓ１０４においてポンプ２４及び拡散燃焼器３１の着火装置を起動するとともに開閉弁７１Ｂ，７２Ｂを開放する。これにより、燃料タンク２２に蓄えられた液体燃料が拡散燃焼器３１及び触媒燃焼器３２に供給される。そして、拡散燃焼器３１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３２において燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスにより、燃料電池スタック１０及び当該燃料電池スタック１０よりも下流に配置された機器の暖機が行われる。
【００６０】
一方、Ｓ１０２において燃料電池温度Ｔｆｃが作動温度Ｔｓに到達したと判定された場合には、制御部８０は、燃料電池スタック１０が暖機されていると判断し、Ｓ１０５の起動停止処理を実行する。
【００６１】
Ｓ１０５では、制御部８０は、拡散燃焼器３１の着火装置を停止し、スロットル４６Ａ及び開閉弁７１Ｂ，７２Ｂを閉じて、システム起動制御を終了する。
【００６２】
このようにシステム起動制御が終了した後は、制御部８０により通常発電制御が実行される。通常発電制御時には、燃料タンク２２から供給された燃料は蒸発器２６により気化し、気化燃料が熱交換器２７で加熱される。このように加熱された燃料が改質器２８においてアノードガスに改質され、アノードガスが燃料電池スタック１０に供給される。一方、コンプレッサ４３により供給された空気（カソードガス）は熱交換器４４により昇温され、拡散燃焼器３１及び触媒燃焼器３２を介して燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０はアノードガスとカソードガスの供給を受けて発電し、燃料電池スタック１０の発電電力はバッテリ６２及び駆動モータ６３等で利用される。
【００６３】
なお、燃料電池スタック１０から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスは、アノード排出通路５１及びカソード排出通路５２を通じて排気燃焼器５３に導入される。排気燃焼器５３ではアノードオフガス及びカソードオフガスが燃料されて排気となり、排気燃焼器５３から排出された排気は蒸発器２６及び熱交換器４４を加熱する。
【００６４】
次に、図３を参照して、燃料電池システム１００のシステム停止制御について説明する。図３は、制御部８０が実行するシステム停止制御を示すフローチャートである。システム停止制御は、燃料電池システム１００に対する停止要求（運転者のキーオフ操作等による停止要求）後に実行される。
【００６５】
図３に示すように、システム停止制御の開始後、制御部８０はＳ２０１の処理を実行する。Ｓ２０１では、制御部８０は、ポンプ２４の作動を停止し、調圧弁２９を全閉状態とする。これにより、燃料電池スタック１０に対するアノードガスの供給が停止される。
【００６６】
Ｓ２０２では、制御部８０は、カソードガスの供給量が通常発電時よりも高くなるように、コンプレッサ４３の回転速度を通常発電時よりも高め、スロットル４５の開度を例えば燃料電池冷却時開度となるように制御する。例えば、コンプレッサ４３の回転速度及びスロットル４５の開度は、燃料電池スタック１０がシステム運転状態により定まる要求出力を発生させるように発電している通常発電時よりも大きく設定される。このように、カソードガスを燃料電池スタック１０に対して継続的に供給し、カソードガスを冷却用ガスとして用いることで、燃料電池スタック１０を内部から冷却する。Ｓ２０１及びＳ２０２の処理は、燃料電池スタック１０を強制的に冷却する冷却処理に相当する。
【００６７】
Ｓ２０３では、制御部８０は、温度センサ８３を用いて燃料電池温度Ｔｆｃを取得し、その後Ｓ２０４の処理を実行する。
【００６８】
Ｓ２０４では、制御部８０は、燃料電池温度Ｔｆｃが予め設定された基準温度Ｔ１まで低下したか否かを判定する。基準温度Ｔ１は、例えば３００℃であり、アノード排出通路５１等に酸素が存在しても燃料電池のアノード電極が酸化劣化しない温度として設定されている。基準温度Ｔ１は、例えばアノード電極の構成材料等に応じて任意の値に設定される。
【００６９】
燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔ１以下である場合には、制御部８０は、燃料電池スタック１０が十分に冷却されておりアノード電極の酸化劣化は生じないと判断し、Ｓ２０５のシステム停止処理を実行する。システム停止処理では、制御部８０は、コンプレッサ４３を停止し、スロットル４５を全閉状態とする。これにより、アノードガス及びカソードガスの供給が停止され、燃料電池システム１００の停止制御が終了する。
【００７０】
一方、燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔ１より大きい場合には、制御部８０は、アノード電極が酸化劣化する可能性があると判断し、Ｓ２０６の燃料ガス供給処理を実行する。
【００７１】
Ｓ２０６において、制御部８０は、開閉弁７３Ｂを開き、インジェクタ７３Ａを駆動して、電気ヒータ７３Ｃにより気化させた燃料ガスをアノード排出通路５１に供給する。インジェクタ７３Ａは、燃料電池スタック１０にアノードガスを供給するアノードガス供給部（改質器２８等）とは異なるガス供給部として構成されている。このようにシステム停止制御中（燃料電池スタックの冷却中）に、燃料タンク２２に蓄えられた燃料をインジェクタ７３Ａによりアノード排出通路５１に供給することで、アノード排出通路５１内の酸素濃度の上昇を抑制する。
【００７２】
この燃料ガス供給制御について、図４を参照して説明する。図４は、システム停止制御中における燃料ガス供給量の変化及びアノード排出通路５１内の酸素濃度の変化について説明する図である。
【００７３】
システム停止制御が開始すると、アノードガスの供給が停止され、カソードガスのみが燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０はカソードガスにより冷却される。燃料電池スタック１０を通過したカソードガスは、カソードオフガスとして、カソード排出通路５２を通じて排気燃焼器５３に導入される。このように導入されたカソードオフガスの一部は排気燃焼器５３からアノード排出通路５１に流入する。したがって、図４に示すように、システム停止制御が開始された時点においてアノード排出通路５１内の酸素濃度が上昇することとなる。
【００７４】
システム停止制御開始時点では、燃料電池スタック１０はほとんど冷却されておらず、燃料電池温度Ｔｆｃは高温（例えば７５０℃）となっている。このように燃料電池温度が高い状態において、アノード排出通路５１内の酸素濃度が酸素濃度閾値（基準濃度）よりも大きくなると、燃料電池のアノード電極が酸化劣化してしまう。
【００７５】
しかしながら、燃料電池システム１００では、システム停止制御開始後の燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度（例えば３００℃）よりも高い場合、燃料ガスがインジェクタ７３Ａを介してアノード排出通路５１に供給される。このように燃料ガスをアノード排出通路５１に供給すると、アノード排出通路５１内の燃料ガスの存在によってカソードガスが排気燃焼器５３からアノード排出通路５１側に流入しにくくなり、アノード排出通路５１内の酸素濃度の上昇が抑制される。したがって、アノード排出通路５１内の酸素濃度が、酸素濃度閾値（基準濃度）を超えてしまうことを抑制できる。なお、アノード排出通路５１内の酸素濃度はアノード排出通路５１内の酸素分圧と比例関係にあるので、酸素濃度の代わりに酸素分圧をアノード電極の酸化劣化に関する指標としてもよい。
【００７６】
また、本願発明者らは、燃料電池のアノード電極の酸化劣化に関し、酸化劣化が起こり得る酸素濃度が燃料電池温度Ｔｆｃに応じて変化することを見出している。つまり、図４に示すように、酸化劣化の発生の有無の閾値となる酸素濃度閾値（基準濃度）は燃料電池温度Ｔｆｃが低くなるほど低下する。このように、燃料電池温度Ｔｆｃが低下するほど酸化劣化する酸素濃度閾値が低下する理由は、燃料電池温度Ｔｆｃが低下するほどアノード電極内の水素が放出されやすくなり、それに伴ってアノード電極内に酸素が拡散しやすくなるためである。但し、燃料電池温度Ｔｆｃがある程度（例えば３００℃）まで低下すると、アノード電極は酸素濃度によらず酸化劣化しなくなる。
【００７７】
このような知見に基づき、燃料電池システム１００では、燃料電池温度Ｔｆｃが低くなるほど、アノード排出通路５１に供給する燃料ガスの供給量を増加させる。これにより、図４に示すように燃料電池温度Ｔｆｃの低下に応じてアノード排出通路５１内の酸素濃度を低下させることができ、燃料電池温度Ｔｆｃによらずアノード電極の酸化劣化を抑制することが可能となる。
【００７８】
したがって、インジェクタ７３Ａからアノード排出通路５１に導入される燃料ガスの供給量は、燃料電池温度Ｔｆｃに基づいて決定される。燃料電池温度Ｔｆｃが分かれば酸素濃度閾値を定めることができ、この酸素濃度閾値とアノード排出通路及び燃料電池スタック１０内のアノード流路の体積（既知パラメータ）等から、アノード排出通路５１内の酸素濃度が酸素濃度閾値を超えないような燃料ガスの供給量を決定することができる。制御部８０は、インジェクタ７３Ａの噴射期間又は開弁量を制御することにより、インジェクタ７３Ａから供給される燃料ガス供給量を調整する。
【００７９】
なお、燃料電池システム１００では、システム停止制御中の冷却処理により燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度（例えば３００℃）まで低下すると、アノード電極の酸化劣化が生じないため、燃料ガス供給処理が停止され、燃料電池システム１００を完全停止するためのシステム停止処理が実行されることとなる。
【００８０】
上記した燃料電池システム１００によれば、以下の効果を奏することができる。
【００８１】
燃料電池システム１００は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０から排出されるアノードオフガスを流すアノード排出通路５１と、燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガスを流すカソード排出通路５２と、アノード排出通路５１とカソード排出通路５２とが合流する合流部としての排気燃焼器５３とを備える。さらに、燃料電池システム１００は、システム停止中（システム停止制御中）に燃料タンク２２に蓄えられた燃料を用いた燃料ガスをアノード排出通路５１内に供給するガス供給部としてのインジェクタ７３Ａを備える。インジェクタ７３Ａは、燃料電池スタック１０にアノードガスを供給するアノードガス供給部（改質器２８等）とは異なるガス供給部として構成されている。
【００８２】
このように構成された燃料電池システム１００では、システム停止中に、燃料タンク２２に蓄えられた燃料を用いてインジェクタ７３Ａにより燃料ガスをアノード排出通路５１に供給することで、カソードガスが排気燃焼器５３からアノード排出通路５１側に流入しにくくなり、アノード排出通路５１内の酸素濃度（酸素分圧）の上昇が抑制される。これにより、燃料電池のアノード電極の酸化劣化を抑制することが可能となる。
【００８３】
また、燃料電池システム１００は燃料電池スタック１０の温度を検出又は推定する温度検知部としての温度センサ８３を備えており、インジェクタ７３Ａは、システム停止中であって、燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔ１よりも高い場合にアノード排出通路５１に燃料ガスを供給する。燃料電池スタック１０がアノード電極が酸化劣化する可能性のある温度状態となっている場合に、燃料ガスをアノード排出通路５１に供給しアノード排出通路５１内の酸素濃度（酸素分圧）の上昇を抑制するため、燃料を無駄に消費することなく、燃料電池のアノード電極の酸化劣化を抑制することが可能となる。
【００８４】
さらに、燃料電池スタック１０では、インジェクタ７３Ａは燃料電池温度Ｔｆｃが低いほど燃料ガス供給量を増加させるように構成されている。これにより、燃料電池温度Ｔｆｃの低下に応じてアノード排出通路５１内の酸素濃度（酸素分圧）を低下させることができ、燃料電池温度Ｔｆｃに応じた燃料ガス供給量でアノード電極の酸化劣化を効率的に抑制することが可能となる。
【００８５】
燃料電池スタック１０のインジェクタ７３Ａは、燃料タンク２２から供給される燃料を気化させる加熱器としての電気ヒータ７３Ｃを備え、気化燃料を燃料ガスとしてアノード排出通路５１に供給するよう構成されている。このように電気ヒータ７３Ｃを用いることで、確実に気化した燃料ガスをアノード排出通路５１に供給することができ、アノード排出通路５１内の酸素濃度（酸素分圧）の上昇を効率的に抑制することが可能となる。
【００８６】
次に、図１及び図５を参照して、第１実施形態の変形例による燃料電池システム１００について説明する。
【００８７】
本変形例による燃料電池システム１００では、アノード排出通路５１内の酸素濃度を検知し、酸素濃度を用いて燃料ガス供給処理が実行される。したがって、図１に示すように、燃料電池システム１００は、アノード排出通路５１内の酸素濃度を検出又は推定する酸素濃度検知部としての酸素濃度センサ８５を備える。
【００８８】
酸素濃度センサ８５は、インジェクタ７３Ａの設置位置よりも上流側のアノード排出通路５１に設けられる。酸素濃度センサ８５は、アノード排出通路５１に設けられていればよく、インジェクタ７３Ａよりも燃料電池スタック１０寄りの位置に設けられることが好ましい。酸素濃度センサ５８には、例えば、固体電解質ジルコニア素子を用いて酸素濃度を検出又は推定するジルコニア式酸素濃度計が用いられる。酸素濃度センサ８５は制御部８０と電気的に接続されており、酸素濃度センサ８５の検知信号は制御部８０に提供される。制御部８０は、酸素濃度センサ８５により検出又は推定された酸素濃度に基づいて、アノード排出通路５１内の酸素分圧を算出することもできる。
【００８９】
次に、図５を参照して、本変形例による燃料電池システム１００の制御部８０が実行するシステム停止制御について説明する。図５は、本変形例による燃料電池システム１００の制御部８０が実行するシステム停止制御を示すフローチャートである。
【００９０】
図５のＳ２０１〜Ｓ２０５の処理は図３のＳ２０１〜Ｓ２０５と同じ処理であるので、これら処理の説明は省略し、それ以外の処理Ｓ２１１〜２１３及びＳ２０６Ａについて詳述する。
【００９１】
図５に示すように、Ｓ２０４において燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔ１より大きいと判定された場合には、制御部８０はＳ２１１以降の処理を実行する。
【００９２】
Ｓ２１１では、制御部８０は、温度センサ８３により検出又は推定された燃料電池温度Ｔｆｃに基づいてアノード排出通路５１内における酸素濃度の閾値Ｄ１を算出する。
【００９３】
図４の破線に示すように、燃料電池温度Ｔｆｃと酸素濃度閾値Ｄ１との関係を示すマップ（特性線）は予めの実験等により得られており、このマップは制御部８０のＲＯＭ等に記憶されている。したがって、制御部８０は、燃料電池温度Ｔｆｃに基づいて、当該燃料電池温度Ｔｆｃに対応する酸素濃度閾値Ｄ１を一義的に算出することができる。なお、制御部８０は、燃料電池温度Ｔｆｃが低いほど、酸素濃度閾値Ｄ１を小さな値として算出（設定）する。
【００９４】
Ｓ２１２では、制御部８０は、酸素濃度センサ８５を用いてアノード排出通路５１内の酸素濃度Ｄｆｃを測定し、その後Ｓ２１３の処理を実行する。
【００９５】
Ｓ２１３では、制御部８０は、酸素濃度ＤｆｃとＳ２１１で算出した酸素濃度閾値Ｄ１（基準濃度）とを比較し、酸素濃度Ｄｆｃが酸素濃度閾値Ｄ１以下であるか否かを判定する。
【００９６】
アノード排出通路５１内の酸素濃度Ｄｆｃが酸素濃度閾値Ｄ１以下である場合には、制御部８０は、酸素濃度Ｄｆｃが低くアノード電極が酸化劣化する可能性はないと判断し、Ｓ２０３の処理を再度実行する。これに対して、アノード排出通路５１内の酸素濃度Ｄｆｃが酸素濃度閾値Ｄ１よりも大きい場合には、制御部８０は、アノード電極が酸化劣化する可能性があると判断し、Ｓ２０６Ａの燃料ガス供給処理を実行する。
【００９７】
Ｓ２０６Ａでは、制御部８０は、開閉弁７３Ｂを開き、インジェクタ７３Ａを駆動して、電気ヒータ７３Ｃにより気化させた燃料ガスをアノード排出通路５１に供給する。このようにシステム停止制御中（燃料電池スタックの冷却中）に、燃料タンク２２に蓄えられた燃料をインジェクタ７３Ａによりアノード排出通路５１に供給することで、アノード排出通路５１内の酸素濃度の上昇を抑制する。なお、制御部８０は、Ｓ２０６Ａの燃料ガス供給処理が終了した後、Ｓ２０３以降の処理を再度実行する。
【００９８】
本変形例による燃料電池システム１００では、インジェクタ７３Ａは、燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔ１よりも高く、かつ酸素濃度Ｄｆｃが酸素濃度閾値Ｄ１（基準濃度）よりも高い場合に、アノード排出通路５１に燃料ガスを供給するように構成されている。つまり、燃料電池温Ｔｆｃが基準温度Ｔ１よりも高い場合であってもアノード排出通路５１内の酸素濃度Ｄｆｃがアノード電極の酸化劣化を引き起こさない濃度であれば、燃料ガスは供給されない。
【００９９】
このように、制御部８０は、第１実施形態の場合とは異なり、酸素濃度Ｄｆｃが酸素濃度閾値Ｄ１を超えている場合に燃料ガスをアノード排出通路５１に供給するようインジェクタ７３Ａを制御する。このような燃料ガス供給処理によれば、第１実施形態よりも燃料消費を抑えつつ、燃料電池のアノード電極の酸化劣化を抑制することが可能となる。
【０１００】
また、本変形例による燃料電池システム１００では、制御部８０は、酸素濃度Ｄｆｃと酸素濃度閾値Ｄ１との偏差が大きいほど燃料ガス供給量が増加するようにインジェクタ７３Ａを制御する。つまり、インジェクタ７３Ａは、酸素濃度Ｄｆｃに応じて燃料ガスの供給量を調整するように構成されている。より具体的には、インジェクタ７３Ａは、酸素濃度Ｄｆｃから酸素濃度閾値Ｄ１を引いた値が大きくなるほど、燃料ガスの供給量を増加するように構成されている。
【０１０１】
このように、アノード排出通路５１内の酸素濃度Ｄｆｃと酸素濃度閾値Ｄ１との乖離量に応じて燃料ガスを供給するため、燃料を無駄に消費することなく、アノード排出通路５１内の酸素濃度を確実に低下させることができる。したがって、アノード排出通路５１内の酸素濃度Ｄｆｃに応じた燃料ガス供給量でアノード電極の酸化劣化を効率的に抑制することが可能となる。
【０１０２】
なお、燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔ１（例えば３００℃）より大きい場合には燃料電池温度Ｔｆｃが低くなるほどアノードの酸化劣化が生じやすくなる点を考慮し、制御部８０は燃料電池温度Ｔｆｃが低いほど酸素濃度閾値Ｄ１を小さな値として設定する。これにより、燃料電池温度と酸素濃度との関係を考慮して燃料ガス供給量を制御でき、必要最低限の燃料ガス供給量でアノード電極の酸化劣化を確実に抑制することが可能となる。
【０１０３】
＜第２実施形態＞
図６〜図８を参照して、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１００について説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態と共通の構成要素には同一の番号を付し、必要な場合を除いてその説明を省略する。
【０１０４】
第２実施形態による燃料電池システム１００は、第１実施形態の燃料電池システムとほぼ同じであるが、温度センサ８６を備える点、及び制御部８０が実行するシステム停止制御の内容において第１実施形態と相違している。なお、本実施形態による燃料電池システム１００は酸素濃度センサ８５を備えていなくてもよい。
【０１０５】
図６に示すように、第２実施形態による燃料電池システム１００は、改質器２８と燃料電池スタック１０との間のアノード供給通路２１に温度センサ８６を備えている。温度センサ８６は、アノード供給通路２１を通過するアノードガスの温度を検出又は推定する。制御部８０は、温度センサ８６により検出又は推定されたアノード供給通路２１内のアノードガス温度を改質器２８の温度として用いる。このように、温度センサ８６は、改質器２８の温度を検出又は推定するための改質器温度検知部として機能する。なお、温度センサ８６をアノード供給通路２１に設ける代わりに、当該温度センサ８６を改質器２８に設けて改質器温度を直接検出してもよい。
【０１０６】
次に、図７を参照して、第２実施形態による燃料電池システム１００のシステム停止制御について説明する。図７は、制御部８０が実行するシステム停止制御を示すフローチャートである。システム停止制御は、燃料電池システム１００に対する停止要求後に実行される。
【０１０７】
図７のＳ２０１〜Ｓ２０６の処理は図３のＳ２０１〜Ｓ２０６と同じ処理であるので、必要な場合を除いてこれら処理の説明は省略し、それ以外の処理Ｓ２２１〜Ｓ２２２について詳述する。
【０１０８】
図７に示すように、Ｓ２０４において燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔ１より大きいと判定された場合には、制御部８０はアノード電極の劣化を抑制すべくＳ２２１以降の処理を実行する。
【０１０９】
Ｓ２２１では、制御部８０は、温度センサ８６により検出又は推定された改質器温度Ｔｒｅと改質器基準温度Ｔ２とを比較し、改質器温度Ｔｒｅが改質器基準温度Ｔ２以下であるか否かを判定する。改質器基準温度Ｔ２は、改質器２８が気化燃料をアノードガスに改質できる改質器活性温度であって、例えば５００℃に設定されている。
【０１１０】
Ｓ２２１において改質器温度Ｔｒｅが基準温度Ｔ２よりも大きいと判定された場合には、制御部８０はＳ２２２の処理を実行する。
【０１１１】
Ｓ２２２では、制御部８０は、改質器２８で改質されたアノードガスを燃料ガスとしてアノード排出通路５１に供給する高温時燃料ガス供給処理を実行する。制御部８０は、ポンプ２４及びインジェクタ２５を駆動し、さらに調圧弁２９を調整して、改質器２８に導入される気化燃料量を制御する。燃料電池スタック１０では、調圧弁２９の開度を制御することにより、改質器２８から燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの量が調整される。改質器２８及び調圧弁２９はアノードガス（燃料ガス）を供給するアノードガス供給部を構成する。
【０１１２】
このように改質器２８で改質されたアノードガスは、冷却中の燃料電池スタック１０を通じてアノード排出通路５１に供給される。第２実施形態では、改質器２８から排出されるアノードガスが燃料ガスとして利用される。このように、アノードガスをアノード排出通路５１に供給すると、燃料電池スタック１０を冷却するために供給されているカソードガスが排気燃焼器５３からアノード排出通路５１側に流入しにくくなり、アノード排出通路５１内の酸素濃度の上昇が抑制される。したがって、アノード排出通路５１内の酸素濃度が、酸素濃度閾値（基準濃度）を超えてしまうことを抑制できる。なお、第２実施形態においても、酸素濃度の代わりに酸素分圧をアノード電極の酸化劣化に関する指標としてもよい。
【０１１３】
Ｓ２２２の高温時燃料ガス供給処理では、制御部８０は、図８の中段に示すように、燃料電池温度Ｔｆｃが低くなるほどアノード排出通路５１に供給するアノードガス（燃料ガス）の供給量を増加させる。これにより、図８の上段に示すように、燃料電池温度Ｔｆｃの低下に応じてアノード排出通路５１内の酸素濃度を低下させることができ、燃料電池温度Ｔｆｃによらずアノード電極の酸化劣化を抑制することができる。
【０１１４】
なお、改質器２８からアノード排出通路５１に導入されるアノードガスの供給量は、燃料電池温度Ｔｆｃに基づいて決定される。燃料電池温度Ｔｆｃが分かれば酸素濃度閾値を定めることができ、この酸素濃度閾値とアノード排出通路及び燃料電池スタック１０内のアノード流路の体積（既知パラメータ）等から、アノード排出通路５１内の酸素濃度が酸素濃度閾値を超えないようなアノードガスの供給量を決定することができる。
【０１１５】
Ｓ２２２の処理は、燃料電池温Ｔｆｃが基準温度Ｔ１まで低下するまでにおいて、改質器温度Ｔｒｅが基準温度Ｔ２（例えば５００℃）に到達するまで継続される。
【０１１６】
一方、Ｓ２２１において改質器温度Ｔｒｅが基準温度Ｔ２以下であると判定された場合には、制御部８０は、改質器温度Ｔｒｅが低下して改質不良が生じると判断し、Ｓ２０６の低温時燃料ガス供給処理を実行する。低温状態の改質器２８に気化燃料を供給すると、改質器２８内において気化燃料が改質されずカーボンが析出してしまう。これを回避するため、改質器温度Ｔｒｅが改質器基準温度Ｔ２以下となった場合には、燃料ガスの供給元が改質器２８からインジェクタ７３Ａに切り換えられる。
【０１１７】
図７のＳ２０６の処理は、図３のＳ２０６の処理と同様の処理である。Ｓ２０６において、制御部８０は、ポンプ２４、インジェクタ２５及び調圧弁２９を制御してアノードガスの供給を停止するとともに、開閉弁７３Ｂを開きインジェクタ７３Ａを駆動して、電気ヒータ７３Ｃにより気化させた燃料ガスをアノード排出通路５１に供給する。このようにシステム停止制御中（燃料電池スタックの冷却中）に、燃料タンク２２に蓄えられた燃料をインジェクタ７３Ａによりアノード排出通路５１に供給することで、アノード排出通路５１内の酸素濃度の上昇を抑制する。
【０１１８】
Ｓ２０６において、制御部８０は、図８の下段に示すように、燃料電池温度Ｔｆｃが低くなるほどアノード排出通路５１に供給する燃料ガスの供給量を増加させる。これにより、図８の上段に示すように燃料電池温度Ｔｆｃの低下に応じてアノード排出通路５１内の酸素濃度を低下させることができ、燃料電池温度Ｔｆｃによらずアノード電極の酸化劣化を抑制することができる。
【０１１９】
燃料電池システム１００では、システム停止制御中の冷却処理により燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度（例えば３００℃）まで低下すると、アノード電極の酸化劣化が生じないため、燃料ガス供給処理が停止され、燃料電池システム１００を完全停止するためのシステム停止処理が実行される。
【０１２０】
上記した本実施形態による燃料電池システム１００によれば、以下の効果を奏することができる。
【０１２１】
燃料電池システム１００は、燃料タンク２２から供給される燃料をアノードガスに改質し、改質されたアノードガスを燃料電池スタック１０に供給する改質器２８をさらに備えている。システム停止中（システム停止制御中）において、改質器２８は、アノードガスを燃料ガスとしてアノード排出通路５１に供給するアノードガス供給部として機能する。
【０１２２】
特に、燃料電池システム１００は、システム停止中に、アノード排出通路５１に燃料ガスを供給する供給元が切り換えられる構成となっている。つまり、燃料電池システム１００では、燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔｒｅｆよりも高く、改質器温度Ｔｒｅが改質器基準温度Ｔ２よりも高い場合には、改質器２８で改質されたアノードガスが燃料ガスとしてアノード排出通路５１に供給される。これに対して、燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔｒｅｆよりも高く、改質器温度Ｔｒｅが改質器基準温度Ｔ２以下となった場合には、インジェクタ７３Ａからの燃料ガスがアノード排出通路５１に供給される。このような構成とすることによっても、アノード排出通路５１内の酸素濃度（酸素分圧）の上昇を抑制でき、燃料電池のアノード電極の酸化劣化を抑制することが可能となる。
【０１２３】
また、比較的高温状態にある改質器２８を用いてアノードガス（燃料ガス）をアノード排出通路５１に供給する場合には、インジェクタ７３Ａ及び電気ヒータ７３Ｃの動作を停止でき、燃料電池システム１００内での電力消費を抑制することができる。
【０１２４】
次に、図６及び図９を参照して、第２実施形態の変形例による燃料電池システム１００について説明する。
【０１２５】
本変形例による燃料電池システム１００では、アノード排出通路５１内の酸素濃度を検知し、酸素濃度を用いて燃料ガス供給処理が実行される。したがって、図６に示すように、燃料電池システム１００は、アノード排出通路５１内の酸素濃度を検出又は推定する酸素濃度センサ８５を備える。
【０１２６】
次に、図９を参照して、本変形例による燃料電池システム１００の制御部８０が実行するシステム停止制御について説明する。図９は、燃料電池システム１００の制御部８０が実行するシステム停止制御を示すフローチャートである。
【０１２７】
図９のＳ２０１〜Ｓ２０５、Ｓ２０６Ａ、Ｓ２１１〜Ｓ２１３の処理は図５のＳ２０１〜Ｓ２０５、Ｓ２０６Ａ、Ｓ２１１〜Ｓ２１３と同じ処理であるので、必要な場合を除いてこれら処理の説明は省略し、それ以外の処理Ｓ２２１、Ｓ２３１〜２３３及びＳ２２２Ａについて詳述する。
【０１２８】
図９に示すように、Ｓ２０４において燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔ１より大きいと判定された場合には、制御部８０はアノード電極の劣化を抑制すべくＳ２２１以降の処理を実行する。
【０１２９】
Ｓ２２１では、制御部８０は、温度センサ８６により検出又は推定された改質器温度Ｔｒｅと改質器基準温度Ｔ２とを比較し、改質器温度Ｔｒｅが改質器基準温度Ｔ２以下であるか否かを判定する。
【０１３０】
Ｓ２２１において改質器温度Ｔｒｅが基準温度Ｔ２よりも大きいと判定された場合には、制御部８０はＳ２３１の処理を実行する。
【０１３１】
Ｓ２３１では、制御部８０は、温度センサ８３により検出又は推定された燃料電池温度Ｔｆｃに基づいてアノード排出通路５１内における酸素濃度の閾値Ｄ１を算出する。
【０１３２】
図８の上段の破線に示すように、燃料電池温度Ｔｆｃと酸素濃度閾値Ｄ１との関係を示すマップ（特性線）は予めの実験等により得られており、このマップは制御部８０のＲＯＭ等に記憶されている。したがって、制御部８０は、燃料電池温度Ｔｆｃに基づいて、当該燃料電池温度Ｔｆｃに対応する酸素濃度閾値Ｄ１を一義的に算出することができる。なお、制御部８０は、燃料電池温度Ｔｆｃが低いほど、酸素濃度閾値Ｄ１を小さな値として算出（設定）する。
【０１３３】
Ｓ２３２では、制御部８０は、酸素濃度センサ８５を用いてアノード排出通路５１内の酸素濃度Ｄｆｃを測定し、その後Ｓ２３３の処理を実行する。
【０１３４】
Ｓ２３３では、制御部８０は、酸素濃度ＤｆｃとＳ２３１で算出した酸素濃度閾値Ｄ１（基準濃度）とを比較し、酸素濃度Ｄｆｃが酸素濃度閾値Ｄ１以下であるか否かを判定する。
【０１３５】
アノード排出通路５１内の酸素濃度Ｄｆｃが酸素濃度閾値Ｄ１以下である場合には、制御部８０は、酸素濃度Ｄｆｃが低くアノード電極が酸化劣化する可能性はないと判断し、Ｓ２０３の処理を再度実行する。これに対して、アノード排出通路５１内の酸素濃度Ｄｆｃが酸素濃度閾値Ｄ１よりも大きい場合には、制御部８０は、アノード電極が酸化劣化する可能性があると判断し、Ｓ２２２Ａの高温時燃料ガス供給処理を実行する。
【０１３６】
Ｓ２２２Ａでは、制御部８０は、ポンプ２４及びインジェクタ２５を駆動し、さらに調圧弁２９を調整して、改質器２８から燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの量を調整する。このようにシステム停止制御中（燃料電池スタックの冷却中）に、改質器２８から排出されるアノードガスを燃料ガスとしてアノード排出通路５１に供給することで、アノード排出通路５１内の酸素濃度の上昇を抑制する。なお、制御部８０は、Ｓ２２２Ａの燃料ガス供給処理が終了した後、Ｓ２０３以降の処理を再度実行する。
【０１３７】
本変形例による燃料電池システム１００では、制御部８０は、酸素濃度Ｄｆｃと酸素濃度閾値Ｄ１との偏差が大きいほどアノードガス（燃料ガス）の供給量が増加するように改質器２８に導入される気化燃料量を制御する。つまり、改質器２８は、酸素濃度Ｄｆｃに応じて燃料ガスの供給量を調整するように構成されている。より具体的には、改質器２８は、酸素濃度Ｄｆｃから酸素濃度閾値Ｄ１を引いた値が大きくなるほど、アノードガスの供給量を増加するように構成されている。
【０１３８】
一方、Ｓ２２１において改質器温度Ｔｒｅが基準温度Ｔ２以下であると判定された場合には、制御部８０はＳ２１１の処理を実行する。Ｓ２１１〜Ｓ２１３の処理は第１実施形態の変形例で説明した処理を同じである。
【０１３９】
Ｓ２１３においてアノード排出通路５１内の酸素濃度Ｄｆｃが酸素濃度閾値Ｄ１よりも大きいと判定された場合には、制御部８０は、アノード電極が酸化劣化する可能性があると判断し、Ｓ２０６Ａの低温時燃料ガス供給処理を実行する。
【０１４０】
Ｓ２０６Ａでは、制御部８０は、ポンプ２４、インジェクタ２５及び調圧弁２９を制御してアノードガスの供給を停止するとともに、開閉弁７３Ｂを開きインジェクタ７３Ａを駆動して、電気ヒータ７３Ｃにより気化させた燃料ガスをアノード排出通路５１に供給する。このようにシステム停止制御中（燃料電池スタックの冷却中）に、燃料タンク２２に蓄えられた燃料をインジェクタ７３Ａによりアノード排出通路５１に供給することで、アノード排出通路５１内の酸素濃度の上昇を抑制する。なお、制御部８０は、Ｓ２０６Ａの燃料ガス供給処理が終了した後、Ｓ２０３以降の処理を再度実行する。
【０１４１】
Ｓ２０６Ａでは、制御部８０は、酸素濃度Ｄｆｃと酸素濃度閾値Ｄ１との偏差が大きいほど燃料ガス供給量が増加するようにインジェクタ７３Ａを制御する。つまり、インジェクタ７３Ａは、酸素濃度Ｄｆｃから酸素濃度閾値Ｄ１を引いた値が大きくなるほど、燃料ガスの供給量を増加するように構成されている。
【０１４２】
上記の通り、Ｓ２２２Ａ及びＳ２０６Ａの処理では、アノード排出通路５１内の酸素濃度Ｄｆｃと酸素濃度閾値Ｄ１との乖離量に応じて燃料ガスを供給するため、燃料を無駄に消費することなく、アノード排出通路５１内の酸素濃度を確実に低下させることができる。したがって、アノード排出通路５１内の酸素濃度Ｄｆｃに応じた燃料ガス供給量でアノード電極の酸化劣化を効率的に抑制することが可能となる。
【０１４３】
なお、燃料電池温度Ｔｆｃが基準温度Ｔ１（例えば３００℃）より大きい場合には燃料電池温度Ｔｆｃが低くなるほどアノードの酸化劣化が生じやすくなる点を考慮し、制御部８０は燃料電池温度Ｔｆｃが低いほど酸素濃度閾値Ｄ１を小さな値として設定する。これにより、燃料電池温度と酸素濃度との関係を考慮して燃料ガス供給量を制御でき、必要最低限の燃料ガス供給量でアノード電極の酸化劣化を確実に抑制することが可能となる。
【０１４４】
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。
【０１４５】
燃料電池システム１００では、カソードガスの供給を継続しつつアノードガスの供給を停止することで燃料電池スタック１０の強制冷却が実行されるが、強制冷却以外の冷却処理が実行されてもよい。例えば、燃料電池システム１００は、カソードガス及びアノードガスの供給を停止して燃料電池スタック１０を自然冷却するように構成されてもよいし、冷却水等の冷媒を用いて燃料電池スタック１０を冷却するように構成されてもよい。このような冷却処理を採用する場合であっても、システム停止中（システム停止制御中）に燃料タンク２２に蓄えられた燃料を用いた燃料ガスをアノード排出通路５１内に供給することで、アノード電極の酸化劣化を抑制することが可能となる。
【０１４６】
本願は２０１５年１２月１５日に日本国特許庁に出願された特許出願２０１５−２４４４７２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】
2017104213.tif 000003
【図２】
2017104213.tif 000004
【図３】
2017104213.tif 000005
【図４】
2017104213.tif 000006
【図５】
2017104213.tif 000007
【図６】
2017104213.tif 000008
【図７】
2017104213.tif 000009
【図８】
2017104213.tif 000010
【図９】
2017104213.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成29年3月22日(2017.3.22)
【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の供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを流すアノード排出通路と、
前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを流すカソード排出通路と、
前記アノード排出通路と前記カソード排出通路とが合流する合流部と、
システム停止中に、燃料タンクに蓄えられた燃料を用いた燃料ガスを前記アノード排出通路内に供給するガス供給部と、
前記燃料電池の温度を検出又は推定する温度検知部と、を備え、
前記ガス供給部は、前記燃料電池の温度に基づいて前記アノード排出通路に燃料ガスを供給する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス供給部は、システム停止中であって、前記燃料電池の温度が前記燃料電池のアノード電極が酸化劣化しない基準温度よりも高い場合に、前記アノード排出通路に燃料ガスを供給する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス供給部は、前記燃料電池の温度が低いほど燃料ガス供給量を増加させる、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記アノード排出通路内の酸素濃度を検出又は推定する酸素濃度検知部をさらに備え、
前記ガス供給部は、前記酸素濃度に応じて燃料ガス供給量を調整する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス供給部は、前記酸素濃度と前記燃料電池のアノード電極が酸化劣化しない基準濃度との偏差が大きいほど燃料ガス供給量を増加させる、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記基準濃度は、前記燃料電池の温度が低いほど小さく設定される、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記合流部は、アノードオフガス及びカソードオフガスを燃焼させる排気燃焼器である、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項２から７のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記ガス供給部は、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給部とは異なる供給部として構成されており、前記アノード排出通路に設けられるインジェクタを備え、
前記インジェクタは、前記燃料タンクから供給される燃料を気化させる加熱器を含み、気化燃料を燃料ガスとして前記アノード排出通路に供給するよう構成される、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードガス供給部を構成し、前記燃料タンクから供給される燃料をアノードガスに改質して当該アノードガスを前記燃料電池に供給する改質器と、
前記改質器の温度を検出又は推定する改質器温度検知部と、をさらに備え、
前記燃料電池の温度が前記基準温度よりも高く、前記改質器の温度が改質器基準温度よりも高い場合には、前記改質器で改質されたアノードガスが燃料ガスとして前記アノード排出通路に供給され、
前記燃料電池の温度が前記基準温度よりも高く、前記改質器の温度が前記改質器基準温度以下の場合には、前記インジェクタからの気化燃料が前記アノード排出通路に供給される、
燃料電池システム。
【請求項１０】
アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池と、
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それぞれ流すアノード排出通路及びカソード排出通路と、
前記アノード排出通路と前記カソード排出通路とが合流する合流部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の温度を検出又は推定し、
システム停止中に、前記燃料電池の温度に基づいて燃料タンクに蓄えられた燃料を用いた燃料ガスを前記アノード排出通路内に供給する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
システム停止中であって、前記燃料電池の温度が前記燃料電池のアノード電極が酸化劣化しない基準温度よりも高い場合に、前記アノード排出通路に前記燃料ガスを供給する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
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、
前記燃料電池の温度が低いほど、前記燃料ガスの供給量を増加させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
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、
前記アノード排出通路内の酸素濃度を検出又は推定し、
前記酸素濃度に応じて、前記燃料ガスの供給量を調整する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記酸素濃度と前記燃料電池のアノード電極が酸化劣化しない基準濃度との偏差が大きいほど、前記燃料ガスの供給量を増加させる、
燃料電池システムの制御方法。
【国際調査報告】
2017104213.tif 000012
2017104213.tif 000013
2017104213.tif 000014
2017104213.tif 000015