(57)【要約】  燃料電池システムは、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給装置と、燃料電池に燃料ガスを通す燃料通路と、燃料通路に設けられた燃料供給装置と、燃料電池から排出される燃料オフガスと酸化剤オフガスを燃焼して排出する燃焼器とを備える。この燃料電池システムの制御方法は、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池を発電させる発電制御ステップと、燃料電池システムを停止させる場合には、燃料電池への燃料ガスの供給を停止し、燃料電池システムの未燃燃料ガス量に基づいて燃焼器に酸化剤ガスを供給する停止制御ステップとを含む。
2017104301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給装置と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給装置と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスと酸化剤オフガスとを燃焼して排出する燃焼器と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を発電させる発電制御ステップと、
前記燃料電池システムを停止させる場合には、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料電池システムの未燃燃料ガス量に基づいて前記燃焼器に酸化剤ガスを供給する停止制御ステップと、
を含む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、
前記停止制御ステップは、前記燃料電池のバイパス流路を利用して前記酸化剤供給装置により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３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記停止制御ステップは、前記燃料電池システムを停止させる場合には、前記燃料電池の停止から所定期間後に前記燃料電池に燃料ガスを通す燃料通路に対して酸化剤ガスを供給することにより、前記燃焼器に燃料オフガスを排出する、
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、
前記所定期間は、前記燃料電池の温度に基づいて決定される、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
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、
前記所定期間は、前記燃料電池のアノードガス圧力に基づいて決定される、
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、
前記停止制御ステップは、前記燃料電池システムを停止させる場合には、前記所定期間後に、前記燃料電池に外部から逆起電力を印加するとともに前記燃料通路に酸化剤ガスを供給することにより、前記燃焼器に未燃燃料ガスを排出する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
請求項３から請求項６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、
前記燃料供給装置は、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を含み、
前記酸化剤供給装置は、前記燃料電池に酸化剤ガスを通す酸化剤通路から分岐して、前記改質器よりも上流に位置する前記燃料通路に合流する分岐通路を含み、
前記停止制御ステップは、前記燃料電池システムを停止させる場合には、前記酸化剤供給装置により前記分岐通路から前記燃料通路に酸化剤ガスを供給して前記改質器から排出される未燃燃料ガスを前記燃焼器で燃焼させる、
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、
前記酸化剤供給装置は、前記分岐通路に設けられ、前記改質器に供給される酸化剤ガスの流量を制御する制御弁をさらに含み、
前記停止制御ステップは、前記燃料電池システムの停止指令を受けた場合において、前記燃料通路の圧力、前記燃料電池の温度、及び前記停止指令後の経過時間のうちの少なくとも１つのパラメータが所定の閾値を超えたときに、前記制御弁を開く、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
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、
前記停止制御ステップは、
前記燃料電池に供給される燃料ガスの温度と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスの温度とに基づいて前記燃料電池の温度を演算する演算ステップと、
前記燃料電池の温度が、前記燃料電池の酸化を抑制するために定められた温度閾値よりも低下した場合に、前記制御弁を開いて前記燃料通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給ステップと、を含む
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記停止制御ステップは、前記所定期間を経過するまでは、前記制御弁を閉じるとともに前記酸化剤通路、又は前記酸化剤通路から分岐して前記燃料電池の排気通路に合流するバイパス通路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１１】
請求項１から請求項１０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、
前記停止制御ステップは、前記燃料電池システムを停止させる場合には、前記未燃燃料ガス量により定められた所定の流量だけ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１２】
請求項１から請求項１１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、
前記燃料電池システムは、前記燃焼器の温度を検出する温度センサをさらに含み、
前記停止制御ステップは、前記温度センサによって検出される前記燃焼器の温度に応じて前記燃焼器への酸化剤ガスの流量を減らす、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
請求項１１又は請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記停止制御ステップは、前記燃料電池システムを停止させる場合には、前記酸化剤ガスの流量を徐々に減らす、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３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、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池に燃料ガスを通す燃料通路の圧力を検出する圧力センサをさらに含み、
前記停止制御ステップは、前記圧力センサによって検出される前記燃料通路の圧力、又は当該燃料通路の圧力と前記燃焼器の圧力との圧力差に基づいて前記酸化剤ガスの流量を減らす、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
請求項１から請求項１４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、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池の電力を取り出して二次電池に供給する電力制御器をさらに含み、
前記停止制御ステップは、前記燃料電池システムを停止させる場合には、前記電力制御器により前記燃料電池に逆起電力を印加する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１６】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給装置と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスと酸化剤オフガスを導入してその混合ガスを燃焼して排出する燃焼器と、
前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を発電させる制御部と、を含み、
前記制御部は、前記燃料電池システムを停止させる場合には、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料電池システムの未燃燃料ガス量に基づいて前記燃焼器に酸化剤ガスを供給する、
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、燃料電池から排出される燃料ガスを燃やして排出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、燃料電池システムを停止させる場合には燃料電池のアノードの酸化を防ぐためにアノード流路を還元性雰囲気に保つことが記載されている。
【発明の概要】
【０００３】
上述のような燃料電池システムにおいては、燃料電池の運転を停止する場合に燃料電池への燃料ガスと酸化剤ガスの供給を停止することが知られている。しかしながら、燃料ガスの供給停止後は、燃料電池システムの内部に燃料電池の発電に使用される前の未燃燃料ガスが滞留する。そのため、燃料電池システムの次回起動時に、新たに燃料ガスを燃料電池へ供給する際には未燃燃料ガスが大気に排出されてしまうという問題がある。
【０００４】
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、燃料電池システムからの未燃燃料ガスの排出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。
【０００５】
本発明のある態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給装置と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給装置と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスと酸化剤オフガスを導入してその混合ガスを燃焼して排出する燃焼器とを備える。この燃料電池システムの制御方法は、前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を発電させる発電制御ステップと、前記燃料電池システムを停止させる場合には、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止し、前記燃料電池システムの未燃燃料ガス量に基づいて前記燃焼器に酸化剤ガスを供給する停止制御ステップと、を含む。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のある態様によれば、燃料ガスの供給停止後に燃料電池システムに滞留する未燃燃料ガス量に応じた流量の空気が燃焼器に供給されるので、燃焼器における温度低下や空気不足などに起因する未燃燃料ガスの不完全な燃焼の発生を抑制することができる。したがって、燃料電池システムから排出される未燃燃料ガスの量を抑制することできる。
【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ブロック図である。
【図２】図２は、第１実施形態における燃料電池システムの停止方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの停止方法の一例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停止方法の他の例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、燃料電池システムの停止時において燃料電池の温度に基づき燃料通路に酸化剤ガスを供給したときのタイムチャートである。
【図６】図６は、燃料電池システムの停止方法の他の例を示すフローチャートである。
【図７】図７は、燃料電池システムの停止時において燃料通路の圧力に基づき燃料通路に酸化剤ガスを供給したときのタイムチャートである。
【図８】図８は、本発明の第３実施形態における燃料電池システムの主要構成を示すブロック図である。
【図９】図９は、燃料電池システムの起動方法の一例を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、燃料電池システムの停止方法の一例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】
【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の主要構成を示すブロック図である。
【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る。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（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と、燃料電池スタック１から電力を取り出して負荷の駆動力を確保する駆動系統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。
【００１１】
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）及びカソード極（空気極）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。
【００１２】
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では、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。
【００１３】
このため、燃料電池スタック１に形成される両極のマニホールドには、アノードガスが流れ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と、カソードガスが流れ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と、が接続される。
【００１４】
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経路であり、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経路であり、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に導入する排気通路である。
【００１５】
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燃料供給装置である。
【００１６】
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、燃料供給弁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。
【００１９】
アノードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１にアノードガスを通す燃料通路である。アノードガス供給通路２２には、燃料供給弁２３、蒸発器２４、熱交換器２５、及び改質器２６が設けられている。
【００２０】
燃料供給弁２３は、ポンプ２１から供給される改質用燃料を噴射ノズル２３ａに供給して噴射ノズル２３ａにより蒸発器２４に噴射させるものである。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。水蒸気改質を行うためには、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）が少なくとも必要になる。そして、改質器２６において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。
【００２４】
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、圧力センサ６１と温度センサ６２とが設けられている。
【００２５】
圧力センサ６１は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を検出する。本実施形態の圧力センサ６１は、アノードガス供給通路２２の圧力を検出する。圧力センサ６１の検出値は、以下では「スタック入口アノード圧力」という。圧力センサ６１で検出されたスタック入口アノード圧力は、制御部６に出力される。
【００２６】
温度センサ６２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６２の検出値は、以下では「スタック入口温度」という。温度センサ６２で検出されたスタック入口温度は、制御部６に出力される。
【００２７】
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についても、温度センサ６３が設けられている。温度センサ６３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６３の検出値は、以下では「スタック出口温度」という。温度センサ６３で検出されたスタック出口温度は、制御部６に出力される。
【００２８】
酸化剤供給系統３は、燃料電池スタック１に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給装置である。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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実現される。
【００３５】
加熱装置３５と燃料電池スタック１との間に位置するカソードガス供給通路３３には、温度センサ６６が設けられている。温度センサ６６は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの温度を検出する。温度センサ６６の検出値は、以下では「カソード入口温度」という。温度センサ６６で検出されたカソード入口温度は制御部６に出力される。
【００３６】
改質温度制御空気通路３１１は、改質器２６に供給される燃料ガスの温度を改質反応に必要な温度に調整するために設けられた空気通路である。改質温度制御空気通路３１１は、空気吸入通路３１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、改質温度制御空気通路３１１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。
【００３７】
燃焼器空気制御弁３１２は、排気燃焼器４０に空気を供給又は遮断するための制御弁である。燃焼器空気制御弁３１２は、制御部６によって開閉制御される。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の起動時や通常発電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、燃焼器空気制御弁３１２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の起動時及び通常発電時においてアノードオフガス中の未燃燃料ガスを排気燃焼器４０で適切に燃焼させることができる。
【００３８】
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ている。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との間にあるアノードガス供給通路２２に対して接続される。
【００３９】
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での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。
【００４０】
排気系統４は、上述のアノードガス排出通路２９及び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。
【００４１】
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、燃焼後に生じる排ガス（燃焼後ガス）を排気通路４１に排出する。
【００４２】
排気通路４１は、排気燃焼器４０からの排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からの排ガスによって加熱されることになる。
【００４３】
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６４及び圧力センサ６５が設けられている。温度センサ６４は、排気燃焼器４０から排出される排ガスの温度を検出する。温度センサ６４の検出値は、以下では「燃焼器出口温度」という。温度センサ６４で検出された燃焼器出口温度は、制御部６に出力される。
【００４４】
圧力センサ６５は、排気燃焼器４０から排出される排出ガスの圧力を検出する。圧力センサ６５の検出値は、以下では「燃焼器出口圧力」という。圧力センサ６５で検出された燃焼器出口圧力は、制御部６に入力される。
【００４５】
燃料電池スタック１と排気燃焼器４０との間に位置するカソードガス排出通路３９にも、温度センサ６７が設けられている。温度センサ６７は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスの温度を検出する。温度センサ６７の検出値は、以下では「カソード出口温度」という。温度センサ６７で検出されたカソード出口温度は、制御部６に出力される。
【００４６】
駆動系統５は、燃料電池スタック１に接続される電気負荷であり、本実施形態ではＤＣ-ＤＣコンバータ５１とバッテリ５２と駆動モータ５３とを含む。
【００４７】
ＤＣ-ＤＣコンバータ５１は、燃料電池スタック１に接続され、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の出力電圧を昇圧してバッテリ５２及び駆動モータ５３のうちの少なくとも一方に発電電力を供給する。
【００４８】
バッテリ５２は、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１から供給された電力を充電する。また、バッテリ５２は、蓄えられた電力を駆動モータ５３に供給するものである。
【００４９】
駆動モータ５３は、不図示のインバータを介してバッテリ５２とＤＣ-ＤＣコンバータ５１とに接続される。駆動モータ５３は、車両を駆動する動力源である。また、駆動モータ５３は、車両のブレーキ時において回生電力を発生させ、この回生電力をバッテリ５２に充電させることができる。
【００５０】
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。
【００５１】
本実施形態では、制御部６は、圧力センサ６１及び６５や、温度センサ６２、６３及び６４などの各種センサからの出力信号を受信し、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及び駆動系統５の作動状態を制御する。
【００５２】
また、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が接続される。操作部１０１は、不図示のＥＶ（Electric Vehicle）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。
【００５３】
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を起動する起動制御を実行し、起動制御の完了後は駆動系統５の状態に応じて通常発電制御を実行する。
【００５４】
例えば、制御部６は、バッテリ５２の充電容量（例えばＳＯＣ）が所定の閾値よりも小さくなったときには、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を発電させ、その発電電力をバッテリ５２に供給する。この場合において、制御部６は、駆動モータ５３から燃料電池スタック１に対して要求される要求電力が大きくなるほど、燃料電池スタック１の発電量を増加させる。例えば、駆動モータ５３の要求電力は、アクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど増加する。
【００５５】
一方、制御部６は、バッテリ５２の充電容量が所定の閾値よりも大きくなった場合には、バッテリ５２の充電容量が充電閾値よりも小さくなるまで燃料電池スタック１の発電を一旦停止させる。なお、制御部６は、バッテリ５２の充電容量が所定の閾値よりも大きくなった場合でも、駆動モータ５３の要求電力が所定の値よりも大きいときには、燃料電池スタック１の発電を継続させるようにしてもよい。
【００５６】
また、制御部６は、操作部１０１から停止指令信号を受信した場合には、燃料電池システム１０の動作を停止する停止制御を実行する。
【００５７】
一般に、燃料電池システムは、停止制御において、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ともに、燃料電池スタック１から排気燃焼器４０への燃料オフガスの排出を停止するように構成される場合がある。燃料オフガスの排出を停止する理由は、アノードガスの供給の停止に伴い、カソードガス排出通路３９や排気通路４１などから排気燃焼器４０を通じてアノードガス排出通路２９に酸素が逆流してくることが起こり得るからである。このため、燃料電池スタック１のアノード極の酸化を抑制するために、排気燃焼器４０への燃料オフガスの排出を停止する。
【００５８】
しかしながら、停止制御においてアノードガスの供給が停止されると、燃料電池スタック１や改質器２６などのアノードガス供給通路２２には未燃燃料ガスなどが滞留することになる。特に、改質器２６の内部には、水素だけでなく一酸化炭素やメタノールなどの未燃燃料ガスが多量に滞留する。このような状態では、ＥＶキーがＯＮに操作されて燃料電池システム１０の起動制御が実行されると、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を開始したときに、アノードガス供給通路２２に滞留していた未燃燃料ガスが燃料電池システム１０から大気へ排出されてしまう。
【００５９】
これに対して本実施形態の制御部６は、燃料電池システム１０を停止させる場合には、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を停止しつつ、燃料電池システム１０に滞留する未燃燃料ガス量に基づいて排気燃焼器４０に空気を供給する。このように未燃燃料ガス量に合わせて排気燃焼器４０に空気を供給することにより、燃料電池スタック１から排気燃焼器４０に排出されるアノードオフガスを燃焼させることができるとともに排気燃焼器４０の内部温度を触媒燃焼に必要とされる温度に維持することができる。
【００６０】
図２は、本実施形態における燃料電池システム１０の停止方法に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。この停止方法の処理手順は、所定の周期、例えば数ｍｓ（ミリセカンド）で繰り返し行われる。
【００６１】
ステップＳ９１０において制御部６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を負荷に応じて発電させる。すなわち、制御部６は、燃料電池スタック１の発電制御を実行する。
【００６２】
本実施形態において、制御部６は、バッテリ５２及び駆動モータ５３の状態に応じて、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。
【００６３】
さらに、制御部６は、バッテリ５２及び駆動モータ５３の状態に応じて、ポンプ２１を駆動するとともに燃料供給弁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によって気化し、気化した改質用燃料が熱交換器２５によって加熱される。そして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のアノードに供給される。
【００６４】
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その電力をＤＣ-ＤＣコンバータ５１に供給するとともに、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。
【００６５】
ステップＳ９２０において制御部６は、操作部１０１から燃料電池システム１０の停止指令信号を受信したか否かを判断する。制御部６が停止指令信号を受信していない場合には、ステップＳ９１０の処理に戻って発電制御を継続して実行する。
【００６６】
ステップＳ９２１において制御部６は、燃料電池システム１０の停止指令信号を受信した場合には、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、停止指令信号を受信すると、アノード系空気供給弁３４１を閉じ、ポンプ２１の駆動を停止するとともに燃料供給弁２３を閉じる。これにより、蒸発器２４への燃料の供給が停止されるので、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止する。
【００６７】
ステップＳ９２２において制御部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に、燃料電池システム１０に滞留する未燃燃料ガス量に基づいて排気燃焼器４０に空気を供給する。これにより、燃料電池システム１００の停止制御において、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを排気燃焼器４０で適切に燃焼させることができる。
【００６８】
上記の未燃燃料ガス量は、燃料供給弁２３から排気燃焼器４０までのアノードガス流路に残留する未燃燃料ガスの量を実験で求めれば良い。このとき、停止指令時の燃料電池スタック１の温度、停止指令直前における燃料供給弁２３の噴射量ごとに未燃燃料ガス量をマップ化したものをコンピュータに格納し、停止指令時の燃料電池スタック１の温度状態に応じた未燃燃料ガス量を呼び出すようにしても良い。実際の制御では、マップで呼び出した未燃燃料ガス量に応じて、排気燃焼器４０に供給する酸化剤ガス流量を設定しても良い。なお、排気燃焼器４０に供給する酸化剤ガス流量をそのままマップ化することもできる。その他、演算により停止指令後に未燃燃料ガスがどの程度残留するのかを、燃料電池スタック１に形成されるアノードガス流路の体積や、燃料供給系統２の状態（蒸発器２４など）、停止指令直前に噴射した燃料が未燃燃料となる割合、などを考慮して求めても良い。
【００６９】
排気燃焼器４０においてアノードオフガスを燃焼させるために、制御部６は、例えば、燃料電池システム１０の未燃燃料ガス量に基づいてコンプレッサ３２の駆動を継続するとともにカソード流量制御弁３４の開度を制御する。これにより、未燃燃料ガスを燃焼させるのに必要となる流量の空気が燃料電池スタック１を介して排気燃焼器４０に供給されるので、排気燃焼器４０でアノードオフガスを確実に燃焼させることが可能となる。あるいは、制御部６は、燃料電池システム１０の未燃燃料ガス量に基づいて燃焼器空気制御弁３１２を開くことにより、燃料電池スタック１を介さずに改質温度制御空気通路３１１を利用して排気燃焼器４０に空気を供給するようにしてもよい。
【００７０】
一方、アノードガスの供給が停止された直後は、蒸発器２４において燃料が気化しているため、蒸発器２４よりも下流にあるアノードガス供給通路２２の圧力は排気燃焼器４０の出口圧力に対して高い状態で維持される。このため、アノードガス供給通路２２に滞留する未燃燃料ガスは燃料電池スタック１のアノード極を通じて排気燃焼器４０にアノードオフガスとして排出されることになる。これにより、アノードガスの供給停止に伴って改質器２６に滞留する未燃ガスや、燃料電池スタック１に滞留するアノードガスなどの未燃燃料ガスを排気燃焼器４０で燃焼して外気に排出することができるようになる。したがって、燃料電池システム１０の停止後、再びＥＶキーがＯＮに設定されて起動制御を実行したときに、燃料電池システム１０から外気への未燃燃料ガスの排出を抑制することができる。
【００７１】
このように、制御部６は、燃料電池システム１０の作動を停止させる場合には、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を停止しつつ、燃料電池システム１０に滞留する未燃燃料ガス量に基づいて排気燃焼器４０を作動させる。
【００７２】
なお、ステップＳ９２０で制御部６が燃料電池システム１０の停止指令信号を受信した後は、制御部６は、コンプレッサ３２の駆動を停止して燃料電池スタック１への空気の供給を停止するようにしてもよい。
【００７３】
本発明の第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に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給系統３と、燃料電池スタック１に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から排出されるアノードオフガスとカソードオフガスを導入してその混合ガスを燃焼して排出する排気燃焼器４０とを備える。燃料電池システム１０の制御部６は、燃料電池スタック１に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池スタック１を発電させる発電制御ステップを実行する。そして、燃料電池システム１０を停止させる場合には、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を停止し、燃料電池システム１０に残留する未燃燃料ガス量に基づいて排気燃焼器４０にカソードガスとして空気を供給する停止制御ステップを実行する。
【００７４】
このように停止制御ステップにおいて、燃料電池システム１０に残留する未燃燃料ガス量に応じた流量の空気を酸化剤供給系統３から排気燃焼器４０に供給することにより、燃料電池スタック１を通じて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できる。したがって、停止制御終了後には燃料電池システム１０の内部に滞留していた未燃燃料ガスが少なくなるので、燃料電池システム１０の次回起動時における未燃燃料ガスの排出量を抑制することができる。  
【００７５】
さらに、アノードガスの供給停止時に燃料供給系統２に滞留する未燃燃料ガス量を考慮して排気燃焼器４０への空気の供給量が設定されるので、排気燃焼器４０に必要以上の空気を供給して排気燃焼器４０の温度を下げ過ぎてしまうという事態を回避できる。このため、未燃燃料ガスを適切に燃焼できる温度に排気燃焼器４０の内部温度を維持しつつ未燃燃料ガスを確実に燃焼して排気することができる。
【００７６】
このように、排気燃焼器４０における温度低下や空気不足に起因する未燃燃料ガスの不完全な燃焼が起こりにくくなるので、燃料電池システム１０の停止制御中における排気燃焼器４０から大気への未燃燃料ガスの排出を抑制することができる。したがって、燃料電池システム１０から大気への未燃燃料ガスの排出を抑制することできる。
【００７７】
また、本実施形態によれば、制御部６は、燃料電池スタック１のバイパス流路である改質温度制御空気通路３１１を利用して排気燃焼器４０に酸化剤ガスとして空気を供給するようにしてもよい。これにより、停止指令後、直ぐに再起動されることを想定して燃料電池スタック１の温度を特定の期間だけ維持するような処理を実行するような場合は、燃料電池スタック１を冷やすことなく、排気燃焼器４０を温めることができる。したがって、停止指令直後の再起動制御に要する時間を短縮することができる。
【００７８】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの停止方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。本実施形態の燃料電池システムの基本構成は、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と同一の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。
【００７９】
本実施形態の燃料電池システム１０の停止方法は、図２に示したステップＳ９１０、Ｓ９２０、及びＳ９２１に加えてステップＳ９２３及びＳ９２４を備えている。さらにステップＳ９２２に代えてステップＳ９２２ａ及びＳ９２２ｂを備えている。ここではステップＳ９２２ａ、Ｓ９２２ｂ、Ｓ９２３及びＳ９２４の各々の処理についてのみ詳細に説明する。
【００８０】
ステップＳ９２２ａにおいて制御部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、燃料電池スタック１から排気燃焼器４０へアノードオフガスを排出する。
【００８１】
ステップＳ９２２ｂにおいて制御部６は、アノードガスの供給停止時に燃料電池システム１０に滞留している未燃燃料ガスを燃焼するのに必要となる所定量の空気を排気燃焼器４０に供給する。この所定量は、燃料電池システム１０に滞留する未燃燃料ガス量によって設定される。例えば、所定量は、未燃燃料ガス量を求めるために必要となるアノードガス供給通路２２や、改質器２６、燃料電池スタック１などの内部容積を考慮して予め設定される。本実施形態では、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、かつ、排気燃焼器４０の温度が未燃燃料ガスの燃焼に必要とされる下限温度よりも低下しないように、所定量が設定される。
【００８２】
あるいは、実験データやシミュレーション結果などを用いて、停止指令信号の受信時における蒸発器２４への燃料噴射量とアノードガス供給通路２２における未燃燃料ガスの滞留量との関係を示すマップを予め用意しておき、停止指令信号を受信した時にマップを参照して未燃燃料ガスの滞留量を求め、その滞留量に基づいて排気燃焼器４０に供給すべき空気の流量を設定するようにしてもよい。
【００８３】
これにより、排気燃焼器４０に排出されるアノードオフガスを確実に燃焼させることができる。これに加えて、コンプレッサ３２から排気燃焼器４０への過剰な空気供給が抑制されるので、排気燃焼器４０の温度が低下し過ぎて排気燃焼器４０で未燃燃料ガスが燃焼できなくなるという事態を回避することができるとともにコンプレッサ３２の消費電力を低減することができる。
【００８４】
本実施形態における制御部６は、コンプレッサ３２の駆動を継続するとともにカソード流量制御弁３４を開くことで、燃料電池スタック１を介して排気燃焼器４０に所定量の空気を供給する。これにより、コンプレッサ３２から吐出される空気によって燃料電池スタック１を冷却しつつ排気燃焼器４０での酸素不足を回避することができる。
【００８５】
なお、制御部６は、カソード流量制御弁３４を閉じて燃焼器空気制御弁３１２を開くことにより、燃料電池スタック１を介さずに排気燃焼器４０に空気を供給するようにしてもよい。これにより、燃料電池スタック１の温度低下が抑制されるので、燃料電池システム１０の停止制御中に再起動指令が発行されるような場合であっても燃料電池システム１０を早期に起動させることができる。
【００８６】
ステップＳ９２３において制御部６は、燃料電池システム１０の停止指令信号を受信した後、停止制御における強制排出時期になったか否かを判断する。本実施形態では、制御部６は、停止指令からの経過時間を計測するタイマを備え、停止指令信号を受信した時にタイマのカウントを開始させ、そのカウント値が所定の時間を経過した時に強制排出時期になったと判断する。
【００８７】
ここにいう所定の時間は、燃料電池におけるアノード極の酸化を抑制するために予め定められた値であり、例えば、停止指令後における燃料電池スタック１の温度特性や、アノードガス供給通路２２の圧力特性などを用いて決定することが可能である。
【００８８】
ステップＳ９２４において制御部６は、強制排出時期になったと判断した場合には、カソードガス用の空気をアノードガス供給通路２２に対して供給する。
【００８９】
本実施形態では、制御部６は、強制排出時期になった場合にアノード系空気供給弁３４１を開く。これにより、コンプレッサ３２から吐出される空気が熱交換器２５及び改質器２６に供給されるとともにアノードガス供給通路２２の圧力が高くなるので、改質器２６や燃料電池スタック１などに残留していた未燃燃料ガスなどを排気燃焼器４０まで押し出すことができる。
【００９０】
例えば、制御部６は、強制排出時期になった場合に改質器２６の内部に滞留している未燃燃料ガスを排気燃焼器４０まで押し出すのに必要となる空気の流量をアノードガス供給通路２２に供給する。制御部６は、空気を所定の流量だけアノードガス供給通路２２に供給した後、アノード系空気供給弁３４１を閉じるとともにコンプレッサ３２の駆動を停止する。これにより、燃料電池システム１０の停止制御が終了する。
【００９１】
ステップＳ９２４の処理が終了すると、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一連の処理手順（Ｓ９１０〜Ｓ９２４）が終了する。なお、ステップＳ９２２ａ及びステップＳ９２２ｂの各処理については同時に実行してもよく、あるいは、ステップＳ９２２ａの処理よりも先にステップＳ９２２ｂの処理を実行するようにしてもよい。
【００９２】
図４は、燃料電池システムの停止方法に関する処理手順の他の例を示すフローチャートである。
【００９３】
図４での燃料電池システム１０の停止方法は、図３に示したステップＳ９２３の処理に代えてステップＳ９２３ａの処理を備え、新たにステップＳ９２２ｃ、Ｓ９３１及びＳ９３２の処理を備えている。他の処理については図３に示した処理と同じであるため、ステップＳ９２２ｃ、Ｓ９２３ａ、Ｓ９３１及びＳ９３２の処理についてのみ詳細に説明する。
【００９４】
ステップＳ９２２ｃにおいて制御部６は、排気燃焼器４０から排出される排ガスの温度に基づいて、排気燃焼器４０の温度が未燃燃料ガスの燃焼に必要な温度よりも低下しないようにコンプレッサ３２から排気燃焼器４０に供給される空気の流量を制御する。
【００９５】
本実施形態では、制御部６は、温度センサ６４で検出された燃焼器出口温度が燃焼下限温度まで低下した場合には、ステップＳ９２２ｂで設定された空気の流量を減少させる。ここにいう燃焼下限温度は、排気燃焼器４０で未燃燃料ガスを燃焼させるのに必要となる温度の下限値である。あるいは、制御部６は、燃焼器出口温度が燃焼下限温度よりも低下しない範囲内において、燃焼器出口温度が低下するほど、排気燃焼器４０に供給すべき空気流量を減らし、燃焼器出口温度が上昇するほど、排気燃焼器４０に供給すべき空気流量を増やすようにしてよい。
【００９６】
このように、制御部６は、排気燃焼器４０に供給すべき空気の流量を排気燃焼器４０の温度に応じて補正する。これにより、排気燃焼器４０の温度を未燃燃料ガスの燃焼に必要となる温度に維持することができる。
【００９７】
ステップＳ９３１において制御部６は、燃料電池スタック１の温度を取得する。例えば、制御部６は、温度センサ６２で検出されたスタック入口温度と、温度センサ６３で検出されたスタック出口温度と、温度センサ６６で検出されたカソード入口温度と、温度センサ６７で検出されたカソード出口温度とを用いて、燃料電池スタック１の温度を推定する。
【００９８】
本実施形態では、制御部６は、温度センサ６２で検出されたスタック入口温度と、温度センサ６３で検出されたスタック出口温度とに基づいて、燃料電池スタック１の温度を推定する。
【００９９】
例えば、制御部６は、スタック入口温度とスタック出口温度との和を２で除した平均値を燃料電池スタック１の温度として算出する。これにより、カソード入口温度とカソード出口温度との平均値を用いる場合に比べて、燃料電池スタック１の温度がアノード極で酸化反応が起こりにくい温度まで低下した否かをより正確に判定することが可能となる。なお、燃料電池スタック１のアノード極の温度を検出するための温度センサを燃料電池スタック１に設けて、その温度センサの検出値を用いてもよい。
【０１００】
ステップＳ９２３ａにおいて制御部６は、燃料電池スタック１の温度が、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ために定められた温度閾値Ｔｔｈに対して低下したか否かを判断する。温度閾値Ｔｔｈは、例えば３００℃に設定される。
【０１０１】
燃料電池スタック１の温度が温度閾値Ｔｔｈに対して等しい又は高い場合には、制御部６は、強制排出時期になっていないと判断してステップＳ９２２の処理に戻る。燃料電池スタック１の温度が温度閾値Ｔｔｈよりも低くなるまでステップＳ９２２の処理が繰り返し実行される。
【０１０２】
ステップＳ９２４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よりも低くなった場合には、強制排出時期になったと判断し、アノード系空気供給弁３４１を開く。これにより、コンプレッサ３２から酸化改質通路３３１を介してアノードガス供給通路２２に空気が供給される。
【０１０３】
ステップＳ９３２において制御部６は、排気燃焼器４０での未燃燃料ガスの燃焼が完了すると、コンプレッサ３２の駆動を停止して、燃料電池システム１０の停止方法についての一連の処理手順が終了する。
【０１０４】
図５は、燃料電池システム１０の停止制御における強制排出時期を説明する図である。
【０１０５】
図５（ａ）は、燃料電池スタック１の内部温度の変化を示す図である。図５（ｂ）は、アノード系空気供給弁３４１の開度の変化を示す図である。これらの横軸は、互いに共通する時間軸である。
【０１０６】
図５（ａ）及び図５（ｂ）には、燃料電池システム１０を停止させる場合において、カソード流量制御弁３４を開くことで燃料電池スタック１のカソード極に空気を継続して供給したときの強制排出時期が点線で示されている。さらに、カソード流量制御弁３４を閉じて燃焼器空気制御弁３１２を開くことでカソード極への空気供給を停止したときの強制排出時期が実線で示されている。
【０１０７】
時刻ｔ０において、操作部１０１により停止指令信号が制御部６に送信され、制御部６は、停止指令信号を受信すると、燃料電池システム１０を停止する停止制御を開始する。
【０１０８】
図５（ａ）の実線で示すように、燃料電池スタック１のカソード極への空気供給を停止するときは、燃料電池スタック１の温度が緩やかに低下する。このため、図５（ｂ）の実線で示すように、時刻ｔ２において燃料電池スタック１の温度が温度閾値Ｔｔｈよりも低くなるので、アノード系空気供給弁３４１が開かれる。これにより、燃料電池スタック１におけるアノード極の酸化を抑制しつつ、改質器２６及び燃料電池スタック１の内部に滞留していた未燃燃料ガスを排気燃焼器４０で燃焼させることができる。
【０１０９】
一方、図５（ａ）の点線で示すように、燃料電池スタック１のカソード極への空気供給を継続するときは、燃料電池スタック１のカソード極に供給される空気によって燃料電池スタック１の内部が冷やされるので、燃料電池スタック１の温度が早期に低下する。
【０１１０】
なお、燃料電池スタック１のカソード極に空気を供給して冷やす場合には、排気燃焼器４０の温度が下がり過ぎないように排気燃焼器４０の周囲にヒータを配置して排気燃焼器４０を温めるようにしてもよい。または、カソードガス排出通路３９から分岐して排気燃焼器４０をバイパスする通路を設けて燃料電池スタック１のカソード側から排出される空気の一部を、排気燃焼器４０を経由させずに排出するようにしてもよい。
【０１１１】
そして、時刻ｔ１において、燃料電池スタック１の温度が温度閾値Ｔｔｈよりも低くなり、図５（ｂ）の点線で示すように、アノード系空気供給弁３４１が開かれる。これにより、アノードガス供給通路２２に滞留していた未燃燃料ガスがアノード系空気供給弁３４１から供給される空気によって押し出されるため、押し出された未燃燃料ガスが排気燃焼器４０で燃やされる。このため、燃料電池システム１０の停止制御が完了するまでの停止制御時間を短縮しつつ次回起動制御時における未燃燃料ガスの排出を抑制することができる。
【０１１２】
以上のように、燃料電池システム１０を停止させる場合にコンプレッサ３２からカソードガスをアノードガス供給通路２２に強制的に供給することにより、改質器２６及び燃料電池スタック１に滞留していた未燃燃料ガスを排気燃焼器４０で燃焼させることができる。したがって、燃料電池システム１０の次回起動時における排気通路４１から大気への未燃燃料ガスの排出量を低減することができる。
【０１１３】
なお、本実施形態では酸化改質通路３３１を通じて空気をアノードガス供給通路２２に供給する構成としたが、これに限られるものではない。例えば、加熱装置３５と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路３３から分岐して、熱交換器２５と改質器２６との間のアノードガス供給通路２２に合流するように空気供給通路を燃料電池システム１０に備え、この空気供給通路に設けられた開閉弁を強制排出時期になったときに開くことでアノードガス供給通路２２に空気を供給するような構成にしてもよい。
【０１１４】
また、本実施形態ではコンプレッサ３２を利用して強制排出時期に空気をアノードガス供給通路２２に供給するようにしたが、これに限られるものではない。例えば、コンプレッサ３２とは異なる空気供給機を新たに燃料電池システム１０に備え、強制排出時期になった場合にこの空気供給機を用いてアノードガス供給通路２２に空気を供給するようにしてもよい。
【０１１５】
図６は、燃料電池システム１０の停止方法に関する処理手順の他の例を示すフローチャートである。
【０１１６】
図６での停止方法は、図３に示したステップＳ９２２ｂ及びＳ９２３に代えてステップＳ９２２ｄ及びＳ９２３ｂを備えるとともに、新たにステップＳ９４１及びＳ９４２を備えている。他の処理については図３に示した処理と同じであるため、ステップＳ９２２ｄ、Ｓ９２３ｂ、Ｓ９４１及びＳ９４２の処理についてのみ詳細に説明する。
【０１１７】
ステップＳ９２２ｄにおいて制御部６は、アノードガス供給通路２２の圧力に応じて、コンプレッサ３２から排気燃焼器４０に供給される空気の流量を制御する。
【０１１８】
本実施形態では、制御部６は、圧力センサ６１からスタック入口アノード圧力を取得し、そのスタック入口アノード圧力に基づき、予め定められたマップや演算式を用いて排気燃焼器４０に排出される未燃燃料ガスの流量を算出する。制御部６は、算出した未燃燃料ガスの流量に応じた空気流量を排気燃焼器４０に供給する。具体的には、制御部６は、スタック入口アノード圧力の変化に応じて、燃料電池スタック１から排気燃焼器４０に排出される空気の流量を減少させる。例えば、制御部６は、スタック入口アノード圧力が低くなるほど、カソード流量制御弁３４の開度を小さくする。これにより、燃料電池スタック１を通じて排気燃焼器４０へ排出される空気の流量を減少させることができる。
【０１１９】
アノードガスの供給を停止した場合には、排気燃焼器４０に流入するアノードオフガスの流量は、スタック入口アノード圧力と燃焼器出口圧力との圧力差に応じて変化する。そのため、排気燃焼器４０での未燃燃料ガスの燃焼に必要となる空気流量は、スタック入口アノード圧力に基づいて設定することが可能となる。したがって、制御部６は、スタック入口アノード圧力と排気燃焼器４０の燃焼に必要となる空気流量との関係を示すマップを用いて、スタック入口アノード圧力に基づいて排気燃焼器４０への空気流量を制御することが可能である。あるいは、制御部６は、圧力センサ６５から燃焼器出口圧力を取得し、スタック入口アノード圧力と燃焼器出口圧力との圧力差に基づいて、燃料電池スタック１から排気燃焼器４０に排出される空気流量を制御するようにしてもよい。
【０１２０】
ステップＳ９２３ｂにおいて制御部６は、圧力センサ６１からスタック入口アノード圧力を取得し、そのスタック入口アノード圧力が所定の圧力閾値Ｐｔｈまで低下したか否かを判断する。ここにいう圧力閾値Ｐｔｈは、改質器２６の内部に滞留するガスを排気燃焼器４０まで排出するのに最低限必要となる圧力値に基づいて設定される。本実施形態では、圧力閾値Ｐｔｈは、圧力センサ６５で検出された燃焼器出口圧力、又は、その燃焼器出口圧力に誤差等を考慮した固定値を加算した値に設定される。
【０１２１】
スタック入口アノード圧力が圧力閾値Ｐｔｈよりも高い場合には、改質器２６に滞留する未燃燃料ガスが排気燃焼器４０まで排出されることになるので、制御部６は、強制排出時期ではないと判断してステップＳ９２２ａの処理に戻る。そして、スタック入口アノード圧力が圧力閾値Ｐｔｈに向かって低下するまでの間はステップＳ９２２ａの処理を繰り返し実行する。
【０１２２】
ステップＳ９４１において制御部６は、スタック入口アノード圧力が圧力閾値Ｐｔｈに対して等しい又は低い場合には、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１を制御して燃料電池スタック１に逆バイアス電圧を印加する。すなわち、制御部６は、燃料電池スタック１の正極端子に印加する電位に対して高い電位を燃料電池スタック１の負極端子に印加する。これにより、燃料電池スタック１のアノードガス流路に酸素が供給されたとしてもアノード極の酸化を抑制することができる。
【０１２３】
この後、ステップＳ９２４でアノードガス供給通路２２に空気を強制的に供給することにより、改質器２６や燃料電池スタック１などの内部に残留していた未燃燃料ガスを排気燃焼器４０に押し出すことができる。この後、ステップＳ９３２でコンプレッサ３２の駆動を停止する。なお、燃料電池スタック１の温度が温度閾値Ｔｔｈに到達するまでの間は、制御部６は、コンプレッサ３２から燃料電池スタック１に空気を供給して、燃料電池スタック１の温度が温度閾値Ｔｔｈよりも低下したときにコンプレッサ３２の駆動を停止するようにしてもよい。
【０１２４】
ステップＳ９４２において制御部６は、燃料電池スタック１に対して逆バイアス電圧の印加を停止し、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１の駆動を停止する。
【０１２５】
このように、停止指令信号を受信してからスタック入口アノード圧力が圧力閾値Ｐｔｈに達するまでアノードガス供給通路２２への空気供給を停止することにより、アノード極の酸化を抑制しつつ、コンプレッサ３２の駆動を抑制することができる。よって、燃料電池スタック１の発電性能の低下を抑制しつつ、コンプレッサ３２の消費電力を低減することができる。また、燃料電池スタック１に逆バイアス電圧を印加する時間を短くできるので、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１の駆動に必要となる電力を低減することができる。
【０１２６】
なお、本実施形態のステップＳ９２３ａではスタック入口アノード圧力が圧力閾値Ｐｔｈよりも低下した時に燃料電池スタック１に逆バイアス電圧を印加するようにしたが、これに限られるものではない。例えば、ステップＳ９２０で停止指令信号を受信した直後に燃料電池スタック１に対して逆バイアス電圧を印加するようにしてもよい。これにより、燃料電池システム１０の停止時における燃料電池スタック１のアノード極の酸化をより確実に抑制することができる。
【０１２７】
また、制御部６は、ステップＳ９２２ａ及びステップＳ９２２ｄの各処理について同時に実行してもよく、あるいは、ステップＳ９２２ａの処理よりも先にステップＳ９２２ｄの処理を実行してもよい。また、制御部６は、ステップＳ９２２ｄの処理に代えて、図３に示したステップＳ９２２ｂを実行してもよく、あるいは図４に示したステップＳ９２２ｂ及びＳ９２２ｃの各処理を実行するようにしてもよい。
【０１２８】
図７は、図６に示した燃料電池システム１０の停止制御における強制排出時期を示す図である。
【０１２９】
図７（ａ）は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力（スタック入口アノード圧力）の変化を示す図である。図７（ｂ）は、アノード系空気供給弁３４１の開度の変化を示す図である。これらの横軸は、互いに共通する時間軸である。
【０１３０】
図７（ａ）には、燃料電池システム１０の停止指令後にアノード系空気供給弁３４１を開けたときのスタック入口アノード圧力が実線で示され、アノード系空気供給弁３４１を開けずに閉じたままの状態におけるスタック入口アノード圧力が点線で示されている。
【０１３１】
時刻ｔ１０において、操作部１０１により停止指令信号が制御部６に供給される。制御部６は、この停止指令信号を受信すると、燃料電池システム１０の停止制御を実行する。
【０１３２】
制御部６は、停止制御において、例えば、コンプレッサ３２の駆動を継続するとともにカソード流量制御弁３４を開けることで、燃料電池スタック１を介して排気燃焼器４０に未燃燃料ガス量に応じた流量の空気を供給する。また、制御部６は、ポンプ２１の駆動を停止するとともに燃料供給弁２３を閉じる。これにより、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止するので、アノードガス供給通路２２の圧力（スタック入口アノード圧力）が低下する。
【０１３３】
スタック入口アノード圧力が排気燃焼器４０の圧力（燃焼器出口圧力）に比べて高い状態では、改質器２６から排気燃焼器４０に向かってスタック入口アノード圧力に応じた未燃燃料ガスが流れる。このため、未燃燃料ガスが燃料電池スタック１を通じて排気燃焼器４０にアノードオフガスとして排出される。このため、アノードガスの供給停止後に滞留する未燃燃料ガスを排気燃焼器４０で燃やすことができる。
【０１３４】
時刻ｔ１１において、図７（ａ）に示すように、スタック入口アノード圧力が圧力閾値Ｐｔｈまで低下する。これに伴って、スタック入口アノード圧力と燃焼器出口圧力との差圧が小さくなるので、燃料電池スタック１から排気燃焼器４０へのアノードオフガスの排出量が少なくなる。このため、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１により燃料電池スタック１に逆バイアス電圧が印加されて、図７（ｂ）に示すようにアノード系空気供給弁３４１が全開又は所定の開度に設定される。
【０１３５】
これにより、コンプレッサ３２からアノードガス供給通路２２に空気が供給されてスタック入口アノード圧力が上昇し、アノードガス供給通路２２に残留していた未燃燃料ガスが排気燃焼器４０まで押し出される。このため、改質器２６に残留していた未燃燃料ガスを確実に排気燃焼器４０で燃やして外気に排出することができる。
【０１３６】
時刻ｔ１０から時刻ｔ１１までの期間においては、図７（ａ）に示したスタック入口アノード圧力の時間特性と同様に、燃料電池スタック１から排気燃焼器４０へのアノードオフガスの排出量は時間と共に徐々に低下する。このため、制御部６は、コンプレッサ３２及びカソード流量制御弁３４を制御して、図７（ａ）に示した時間特性と同様に、排気燃焼器４０に供給する空気流量を徐々に下げる。これにより、排気燃焼器４０への余剰の空気供給を抑制できるので、コンプレッサ３２の消費電力を抑制するとともに排気燃焼器４０の温度低下を抑制することができる。
【０１３７】
時刻ｔ１２において、アノード系空気供給弁３４１から所定量の空気がアノードガス供給通路２２に供給されたため、アノードガス供給通路２２に残留していた殆どの未燃燃料ガスが排気燃焼器４０に排出されて燃やされる。このため、図７（ｂ）に示すように、アノード系空気供給弁３４１が閉じられる。
【０１３８】
その後、燃料電池スタック１の温度が温度閾値Ｔｔｈまで低下すると、コンプレッサ３２の駆動が停止され、燃料電池スタック１への逆バイアス電圧の印加が停止されて、燃料電池システム１０の停止制御が終了する。
【０１３９】
なお、この例ではスタック入口アノード圧力に基づいて燃料電池システム１０が強制排出時期になったか否かを判断したが、スタック入口アノード圧力と燃焼器出口圧力との差圧に基づいて強制排出時期になったか否かを判断するようにしてもよい。
【０１４０】
本発明の第２実施形態によれば、制御部６は、燃料電池システム１０を停止させる場合には、アノードガス供給通路（燃料通路）２２に対して酸化剤ガスである空気を供給する。これにより、アノードガス供給通路２２や燃料電池スタック１に滞留していた未燃燃料ガスを燃料電池スタック１からアノードオフガスとして確実に押し出すことができるので、アノードガス供給通路２２に滞留する未燃燃料ガスを排気燃焼器４０で燃焼させることができる。
【０１４１】
また、第２実施形態によれば、燃料供給系統２は、排気燃焼器４０によって加熱された燃料ガスを改質する改質器２６を含み、酸化剤供給系統３は、カソードガス供給通路（酸化剤通路）３３から分岐して改質器２６よりも上流に位置するアノードガス供給通路２２に合流する分岐通路として、酸化改質通路３３１を含む。制御部６は、燃料電池システム１０を停止させる場合には、コンプレッサ３２を用いて酸化改質通路３３１からアノードガス供給通路２２へ空気を供給する。
【０１４２】
これにより、改質器２６の内部に滞留する未燃燃料ガスを排気燃焼器４０で燃焼させることができる。アノードガス供給通路２２に設けられた改質器２６の内部に多くの未燃燃料ガスが滞留するので、改質器２６よりも上流から空気を供給することにより、より多くの未燃燃料ガスを排気燃焼器４０で燃焼させることができる。このため、次回起動時における未燃燃料ガスの排出量をより一層低減することができる。
【０１４３】
また、本実施形態によれば、酸化改質通路３３１は、改質反応に用いられる水蒸気の代りに空気を供給する分岐通路であり、酸化剤供給系統３は、酸化改質通路３３１に設けられ、改質器２６に供給される空気の流量を制御するアノード系空気供給弁（制御弁）３４１をさらに含む。制御部６は、燃料電池システム１０の停止指令信号を受けた場合には、アノードガスの供給停止により燃料電池スタック１の発電を停止してから所定の待機期間を経過した後、すなわち強制排出時期になったときにアノード系空気供給弁３４１を開く。
【０１４４】
このように、停止指令後、所定の待機期間だけアノード極に空気を供給するのを待機することで、燃料電池スタック１の温度がある程度低下するので、アノードガス供給通路２２への空気供給に伴うアノード極の酸化反応の進行を抑制することができる。さらに所定の待機期間だけ待機することにより、この期間は、スタック入口アノード圧力と燃焼器出口圧力との差圧を利用して未燃燃料ガスが排出されることになるため、アノードガス供給通路２２に空気を供給しなくても済む。それゆえ、アノードガス供給通路２２に供給する空気の総量を低減することができ、アノード極の酸化を抑制することができる。
【０１４５】
上述の待機期間は、例えば、燃料電池スタック１の温度に基づいて決定される。これにより、燃料電池スタック１の温度がアノード極の酸化反応の発生を抑制できる温度まで低下したときにアノードガス供給通路２２へ空気を供給することが可能になる。このため、アノード極の酸化を抑制しつつアノードガス供給通路２２に滞留する未燃燃料ガスを確実に燃焼させることができる。なお、待機期間は、実験などにより、停止制御における燃料電池スタック１へのカソードガスの供給量に対するスタック温度の時間特性、例えば図５（ａ）に示した特性を考慮して求めれば良い。あるいは、カソードガスの供給量ごとに待機時間をマップ化したものをコンピュータに格納し、停止指令時のカソードガスの供給状態に応じて待機時間を呼び出すようにしても良い。
【０１４６】
あるいは、上述の待機期間は、燃料電池スタック１のアノードガス圧力に基づいて決定されるものであってもよい。これにより、燃料電池スタック１から排気燃焼器４０への未燃燃料ガスの排出が停止したときにアノードガス供給通路２２へ空気を供給することが可能になる。このため、停止制御に要する時間を短くすることができるとともにアノードガス供給通路２２に滞留する未燃燃料ガスを確実に燃焼させることができる。なお、待機期間は、実験などにより、アノードガスの供給停止後におけるアノードガス供給通路２２の圧力に関する時間特性、例えば図７（ａ）に示した特性を考慮して求めれば良い。あるいは、停止指令時のスタック入口アノード圧力ごとに待機時間をマップ化したものをコンピュータに格納し、停止指令時のアノードガス供給通路２２の圧力状態に応じて待機時間を呼び出すようにしても良い。
【０１４７】
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を停止させる場合には、燃料電池スタック１の停止から待機期間の経過後、外部のＤＣ-ＤＣコンバータ５１から燃料電池スタック１に逆バイアス電圧（逆起電力）を印加するとともにアノードガス供給通路２２に空気を供給する。
【０１４８】
これにより、アノードガス供給通路２２への空気の供給に起因するアノード極の酸化を抑制しつつ、アノードガス供給通路２２に残留していた未燃燃料ガスを排気燃焼器４０に排出することができる。このため、燃料電池スタック１の発電性能の低下を抑制しつつ、燃料電池システム１０から外気への未燃燃料ガスの排出を抑制することができる。
【０１４９】
なお、本実施形態ではＤＣ-ＤＣコンバータ５１から燃料電池スタック１に逆バイアス電圧を印加する例について説明したが、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１とは異なる電気回路を燃料電池スタック１に設けその電気回路により逆バイアス電圧を燃料電池スタック１に印加するようにしてもよい。
【０１５０】
さらに本実施形態によれば、制御部６は、スタック入口アノード圧力、燃料電池スタック１の温度、及び、停止指令後の経過時間のうちの少なくとも１つのパラメータが所定の閾値を超えた場合にアノード系空気供給弁３４１を開く。
【０１５１】
例えば、制御部６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であるスタック入口温度と、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスの温度であるスタック出口温度とに基づいて、燃料電池スタック１におけるアノード極の温度を演算する。そして制御部６は、図５（ａ）に示したように、燃料電池スタック１の酸化を抑制するために定められた温度閾値Ｔｔｈよりも燃料電池スタック１の温度が低下した場合に、アノード系空気供給弁３４１を開いてアノードガス供給通路２２に空気を供給する。このように、燃料電池スタック１のアノード極の酸化反応が起こりにくくなった状態でアノードガス供給通路２２に空気が供給されるので、燃料電池スタック１の劣化を抑制することができる。
【０１５２】
あるいは、制御部６は、図７（ａ）に示したように、スタック入口アノード圧力が所定の圧力閾値Ｐｔｈよりも低くなった時にアノード系空気供給弁３４１を開く。これにより、アノードガス供給通路２２に空気を供給しなくてもスタック入口アノード圧力と燃焼器出口圧力との圧力差によって排気燃焼器４０に未燃燃料ガスが排出されるので、アノードガス供給通路２２への空気の供給量を減らすことができる。したがって、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。
【０１５３】
または、制御部６は、時間を計測するタイマを備え、停止指令後に燃料電池スタック１の温度が温度閾値Ｔｔｈに達するのに要する時間、又は、スタック入口アノード圧力が圧力閾値Ｐｔｈに達するまでに要する時間を予め記憶しておき、停止指令信号を受信した時にタイマのカウントを開始し、カウント値が予め記憶された時間を経過するまでの間はアノード系空気供給弁３４１を閉じた状態に維持する。これにより、燃料電池スタック１の温度が高い状態でアノードガス供給通路２２に供給される酸素の流量を低減できるので、簡易な構成により、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。
【０１５４】
このように、制御部６は、アノードガス供給通路２２の圧力、燃料電池スタック１の温度、及び、停止指令後の経過時間のうちの少なくとも１つのパラメータが所定の閾値を超えた場合にアノード系空気供給弁３４１を開く。これにより、アノードガス供給通路２２に必要以上に空気を供給するのを抑制できるとともに燃料電池スタック１の劣化を抑制することができる。
【０１５５】
また、本実施形態によれば、制御部６は、停止指令を受信してから所定の期間を経過するまではアノード系空気供給弁３４１を閉じ、コンプレッサ３２の駆動を継続してカソードガス供給通路３３に空気を供給する。
【０１５６】
これにより、燃料電池スタック１の内部に空気が流れるので、燃料電池スタック１を冷却することができる。これに加えて、燃料電池スタック１を介して空気が排気燃焼器４０に供給されることになるので、排気燃焼器４０で未燃燃料ガスを適切に燃やすことができる。すなわち、燃料電池システム１０の停止制御を早期に完了することができるとともに、燃料電池システム１０に滞留する未燃燃料ガスを確実に燃焼させることができる。
【０１５７】
あるいは、酸化剤供給系統３は、酸化剤通路から分岐して燃料電池スタック１のカソードガス排出通路３９に排気燃焼器４０を介して合流するバイパス通路として、改質温度制御空気通路３１１を含む。そして制御部６は、停止指令後に所定の期間だけ燃焼器空気制御弁３１２を開いて改質温度制御空気通路３１１を通じて排気燃焼器４０に空気を供給する。これにより、排気燃焼器４０での未燃燃料ガスの燃焼に用いられる酸素が不足するという事態を回避することができる。
【０１５８】
また、本実施形態によれば、制御部６は、燃料電池システム１０を停止させる場合には、排気燃焼器４０に空気を所定の流量だけ供給する。これにより、コンプレッサ３２を用いて排気燃焼器４０に空気を過剰に供給するのを抑制できるので、コンプレッサ３２の消費電力を低減することができる。
【０１５９】
また、本実施形態によれば、燃料電池システム１０は、排気燃焼器４０から排出された排出ガスの温度（燃焼器出口温度）を検出する温度センサ６４を備え、制御部６は、温度センサ６４によって検出される燃焼器出口温度に基づいて、排気燃焼器４０に供給するべき空気の流量を減らす。
【０１６０】
例えば、制御部６は、燃焼器出口温度が所定の燃焼下限温度に対して低下した場合には、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、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において、燃料電池システム１０に残留している未燃燃料ガスを燃焼させながら、排気燃焼器４０が空気で冷やされ難くなるため排気燃焼器４０の温度低下を抑制することができる。
【０１６１】
また、燃料電池スタック１から排気燃焼器４０に排出される未燃燃料ガスの流量は徐々に減少することから、制御部６は、燃料電池システム１０を停止させる場合には、コンプレッサ３２から排気燃焼器４０に供給される空気の流量を徐々に減らす。これにより、停止制御時における排気燃焼器４０の酸素不足を回避しつつ、コンプレッサ３２の消費電力を低減することができる。
【０１６２】
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に供給されるアノードガスの圧力（スタック入口アノード圧力）を検出する圧力センサ６１と、排気燃焼器４０から排出された排出ガスの圧力（燃焼器出口圧力）を検出する圧力センサ６５とを備える。そして制御部６は、燃焼器出口圧力とスタック入口アノード圧力との差分、又は、スタック入口アノード圧力のみに基づいて、排気燃焼器４０に供給される空気の流量を減らす。これにより、排気燃焼器４０に供給される未燃燃料ガスの流量に合わせて空気流量がより的確に調整されるので、コンプレッサ３２の消費電力をより一層低減することができる。
【０１６３】
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に接続され、燃料電池スタック１の電力を取り出してバッテリ５２に供給する電力制御器として、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１を備える。そして制御部６は、燃料電池システム１０を停止させる場合には、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１から燃料電池スタック１に逆起電力を印加する。すなわち、制御部６は、停止制御において、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１をスイッチング制御して燃料電池スタック１の正極端子に印加する電位に対して高い電位を燃料電池スタック１の負極端子に印加する。
【０１６４】
これにより、停止指令後にアノードガス供給通路２２に空気を供給して燃料電池スタック１のアノード極に空気が流入したとしても、その空気によってアノード極が酸化してしまうのを抑制することができる。したがって、燃料電池システム１０の停止時に燃料電池スタック１におけるアノード極の酸化を抑制しつつ、システム内に滞留する未燃燃料ガスを燃やして大気に排出することができる。このため、燃料電池システム１０の次回起動時における未燃燃料ガスの排出量を低減しつつ、燃料電池スタック１の劣化を抑制することができる。
【０１６５】
（第３実施形態）
図８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。
【０１６６】
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３３２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３３２、２１１、２１２及び２１３には、それぞれ、制御弁３４２、２３１、２３２及び２３２が備えられている。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
制御弁３４２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３３２を閉止する。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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３３２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。
【０１７３】
制御弁２３１、２３２及び２３３は、燃料電池システム１０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、燃料供給弁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。
【０１７４】
燃料電池システム１０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、改質温度制御空気通路３１１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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
図９は、燃料電池システム１１を起動させる起動制御に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【０１７７】
燃料電池システム１１が起動制御を開始すると、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、アノード系空気供給弁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からの排出ガスにより蒸発器２４及び熱交換器３５１が加熱される。
【０１７８】
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で検出された燃焼ガスの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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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、２３１、２３２、２３３の各々を閉止し、燃料供給弁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通常発電となり、起動制御が終了する。
【０１８１】
次に、燃料電池システム１１の通常発電時における動作について説明する。
【０１８２】
燃料電池システム１１の通常発電時には、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。
【０１８３】
次に、燃料電池システム１１を停止時における動作について説明する。
【０１８４】
図１０は、燃料電池システム１１を停止させる停止制御に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【０１８５】
図１０に示すように、燃料電池システム１１が停止制御を開始すると、ステップＳ２０１において制御部６は、ポンプ２１を停止し、燃料供給弁２３を閉止する。これにより、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止するので、燃料電池スタック１の発電が停止する。また制御部６はアノード系空気供給弁３４１を閉じる。
【０１８６】
ステップＳ２０２において制御部６は、アノードガスの供給を停止した後、アノードガス排出通路２９に設けられた遮断弁２８を閉止することなく開弁状態に維持する。これにより、停止制御の開始後は、アノードガス供給通路２２の圧力と排気燃焼器４０の出口圧力との圧力差によって燃料電池スタック１を通じて排気燃焼器４０に未燃燃料ガスが排出される。
【０１８７】
ステップＳ２０３において制御部６は、図６のステップＳ９２２ｄの処理と同じように、圧力センサ６１からスタック入口アノード圧力を取得し、予め定められた空気流量マップに対応する目標空気流量を算出する。空気流量マップには、スタック入口アノード圧力ごとに、排気燃焼器４０に排出される未燃燃料ガスを燃焼するのに必要となる空気流量が設定されている。
【０１８８】
ステップＳ２０４において制御部６は、図４のステップＳ９２２ｃの処理と同じように、温度センサ６４から燃焼器出口温度を取得し、排気燃焼器４０での空気が不足しない範囲で燃焼器出口温度が低くなるほど、目標空気流量を小さくする。すなわち、制御部６は、排気燃焼器４０の温度に応じて目標空気流量を補正する。これにより、排気燃焼器４０の温度を燃焼に適した温度に維持することが可能となる。
【０１８９】
ステップＳ２０５において制御部６は、ステップＳ２０４で算出された目標空気流量に基づいて、コンプレッサ３２の駆動を継続するとともにカソード流量制御弁３４の開度を制御する。これにより、燃料電池スタック１に供給される空気の流量が目標空気流量となるように調整されるので、燃料電池スタック１を通じて排出される未燃燃料ガスを排気燃焼器４０で燃焼させることができる。また、コンプレッサ３２から燃料電池スタック１のカソード極に供給される空気によって燃料電池スタック１の内部を冷却することができる。
【０１９０】
ステップＳ２０６において制御部６は、燃料電池スタック１のアノード極で酸化反応が起こりにくくなる温度まで燃料電池システム１１の内部温度が低下したか否かを判断する。本実施形態では、制御部６は、図４のステップＳ９２３ａの処理と同じように、燃料電池スタック１の温度が温度閾値Ｔｔｈよりも低下した否かを判断する。
【０１９１】
ステップＳ２０７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よりも低下した場合には、アノード系空気供給弁３４１を開いてアノードガス供給通路２２に所定量の空気を供給する。これにより、改質器２６や燃料電池スタック１の内部に滞留する未燃燃料ガスが排気燃焼器４０に押し出される。そして、カソード流量制御弁３４から燃料電池スタック１を通じて排気燃焼器４０に供給される空気と未燃燃料ガスとが燃焼して燃焼後に生じるガスが大気に排出される。
【０１９２】
ステップＳ２０８において制御部６は、燃料電池システム１１の内部に滞留する未燃燃料ガスを排気燃焼器４０で燃焼させた後に、アノード系空気供給弁３４１及びカソード流量制御弁３４を共に閉じ、コンプレッサ３２の駆動を停止する。
【０１９３】
ステップＳ２０９において制御部６は、遮断弁２８を閉じることにより、アノードガス排出通路２９における酸素を含むガスの逆流や、アノードガス供給通路２２から早期されなかった残留ガスの排出などを防止する。なお、遮断弁２８は次の起動時に開放する。
【０１９４】
本発明の第３実施形態によれば、第１及び第２実施形態と同様に、燃料電池システム１１を停止させる場合において排気燃焼器４０に空気を供給することにより、燃料電池スタック１から排出される未燃燃料ガスを排気燃焼器４０で燃焼させることができる。これにより、燃料電池システム１１の次回起動時において燃料電池スタック１を通じて排気通路４１から排出される未燃燃料ガスの排出量を低減することができる。
【０１９５】
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。
【０１９６】
例えば、燃料電池システム１０又は１１は、カソード流量制御弁３４と燃料電池スタック１との間に位置するカソードガス供給通路３３から分岐してカソードガス排出通路３９に合流するバイパス通路と、そのバイパス通路を流れるカソードガスの流量を制御する制御弁とを備える。そして制御部６は、停止指令信号を受信してから強制排出時期になるまではバイパス通路の制御弁を開くようにしてもよい。これにより、直ぐに燃料電池システムが再起動されることを考慮して特定の期間を経過するまでは燃料電池スタック１の温度を下げないようにする場合は、燃料電池スタック１を空気によって冷やすことなく、排気燃焼器４０に未燃燃料ガスの燃焼に必要な所定量の空気を供給することができる。
【０１９７】
また、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したが、これに限られるものではなく、例えば、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。
【０１９８】
さらに、上記実施形態では燃料電池システムの停止制御において排気燃焼器４０の温度が下り過ぎないように排気燃焼器４０への空気流量を減らすように制御したが、排気燃焼器４０にヒータを設けてヒータによって排気燃焼器４０を加熱するようにしてもよい。これにより、排気燃焼器４０への空気流量の減量に伴って排気燃焼器４０で酸素が不足するという事態を回避することができる。
【０１９９】
また、本実施形態では燃料電池スタック１の入口圧力を検出してその検出値をアノードガス供給通路２２の圧力として用いるようにしたが、改質器２６の入口圧力、又は熱交換器２５の入口圧力を検出して用いるようにしてもよい。このようにしても第２実施形態と同様の作用効果が得られる。
【０２００】
なお、上記各実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【０２０１】
本願は、２０１５年１２月１５日に日本国特許庁に出願された特願２０１５−２４４４２６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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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