(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、
原燃料を水蒸気により改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池での電気化学反応後の余剰の前記燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼手段と、
前記改質器に前記原燃料を送り出す燃料ポンプと、
前記燃料電池の動作状態に応じて前記燃料ポンプを制御する制御手段と、
前記燃料電池の温度を検知する温度検知手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の運転停止時に前記燃料電池を降温させる際、前記燃料電池の所定の温度範囲内で、第１の時間帯においては前記燃料ポンプによる前記原燃料の供給を行うとともに、第２の時間帯においては前記燃料ポンプによる前記原燃料の供給を停止し、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯とを交互に繰り返し、
前記制御手段は、前記温度検知手段の検知結果に基づいて前記燃料ポンプを制御し、前記燃料電池の運転停止時に前記燃料電池を降温させる際、前記燃料電池の温度が第１の温度を下回ったとき、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯とを交互に繰り返す制御を開始するとともに、前記燃料電池の温度が前記第１の温度より低い第２の温度を下回ったとき、前記燃料ポンプを停止し、
前記第１の温度は、前記第２の温度から６００℃の範囲内に設定される、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記第１及び第２の時間帯における前記原燃料の流量の時間平均値が、前記燃料ポンプにより制御可能な下限値より小さくなるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第１の時間帯において前記原燃料の流量を前記下限値に設定し、前記第２の時間帯において前記原燃料の供給を停止することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、時間の経過に伴って前記第１の時間帯が短くなるように制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、時間の経過に伴って前記第２の時間帯が長くなるように制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、時間の経過に伴って前記第１及び第２の時間帯の繰り返し周期が長くなるように制御することを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記改質器に水を送り出す水ポンプと、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを送り出す空気ポンプと、
を更に備え、
前記制御手段は、前記水ポンプと、前記空気ポンプとをそれぞれ制御し、前記燃料電池の運転停止時に前記燃料電池を降温させる際、前記燃料ポンプの制御に連動して前記水ポンプ及び前記空気ポンプを制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、
原燃料を水蒸気により改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池での電気化学反応後の余剰の前記燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼手段と、
前記改質器に前記原燃料を送り出す燃料ポンプと、
前記燃料電池の動作状態に応じて前記燃料ポンプを制御する制御手段と、
を備えた燃料電池システムの運転停止方法において、
前記燃料電池の運転停止時に前記燃料電池を降温させる際、前記燃料電池の発電を停止した後も燃料ポンプの動作を続け、
前記燃料電池が第１の温度を下回ったとき、第１の時間帯においては前記燃料ポンプによる前記原燃料の供給を行うとともに、第２の時間帯においては前記燃料ポンプによる前記原燃料の供給を停止し、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯とを交互に繰り返し、
前記燃料電池が前記第１の温度より低い第２の温度を下回ったとき、前記燃料ポンプを停止し、
前記第１の温度は、前記第２の温度から６００℃の範囲内に設定される、
ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、原燃料を水蒸気により改質して燃料ガスを生成する改質器を具備する燃料電池システム及びその運転停止方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池システムにおいては、改質器を用いて原燃料を水蒸気により改質し、改質された燃料ガスを燃料電池に供給することにより発電が行われる。燃料電池システムの定常運転時には燃料電池が高い温度で動作しているため、燃料電池システムの運転を停止する際、燃料電池を冷却するとともに、燃料電池内に滞留している燃料ガスのパージを行う必要がある。従来から、窒素等の不活性ガスを用いて還元雰囲気を作ることで燃料ガスのパージを行う運転停止方法が知られている。しかし、不活性ガスを用いてパージを行う場合、燃料電池の発電に用いる管路とは別系統の管路を設置する必要があり、燃料電池システムの大型化を招く。一方、燃料電池システムの運転停止時に原燃料の流量を減らした上で、原燃料と水を改質器に供給して水蒸気改質を行った改質後の燃料ガスで還元雰囲気を作ることで投入熱量を減らして燃料電池を所定温度まで冷却し、アノードの電極が水蒸気酸化を起こさなくなる温度以下まで冷却したら水蒸気によってパージを行う手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかる手法により、複雑な構造を設けることなく燃料電池システムの運転停止時に燃料電池を確実に冷却することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２８３１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の燃料電池システムの運転停止方法によれば、原燃料ガスを改質器に供給するために、少なくとも制御可能な範囲内の最低の流量値で燃料ポンプを駆動し続ける必要がある。そのため、改質器により改質された燃料ガスが燃料電池に送られ、余剰の残ガスが燃焼することによる熱量が増加する。そのため、燃料電池システムの運転停止時に燃料電池を降温させるのに時間を要することになり、迅速な冷却は困難である。また、燃料電池システムの運転停止時に原燃料ガスを供給し続けるため、トータルの発電効率の劣化は避けられない。さらに、燃料電池の降温中には改質器に供給される熱量が減少しているため、円滑な改質反応が妨げられ、アノードの電極材が劣化するなどにより信頼性が低下する恐れがある。
【０００５】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、燃料電池の運転停止時に、燃料電池の降温時間を短縮するとともに、改質器の円滑な改質反応により信頼性を高めることが可能な燃料電池システムとその運転停止方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、原燃料を水蒸気により改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料電池での電気化学反応後の余剰の前記燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼手段と、前記改質器に前記原燃料を送り出す燃料ポンプと、前記燃料電池の動作状態に応じて前記燃料ポンプを制御する制御手段と、前記燃料電池の温度を検知する温度検知手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料電池の運転停止時に前記燃料電池を降温させる際、前記燃料電池の所定の温度範囲内で、第１の時間帯においては前記燃料ポンプによる前記原燃料の供給を行うとともに、第２の時間帯においては前記燃料ポンプによる前記原燃料の供給を停止し、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯とを交互に繰り返し、前記制御手段は、前記温度検知手段の検知結果に基づいて前記燃料ポンプを制御し、前記燃料電池の運転停止時に前記燃料電池を降温させる際、前記燃料電池の温度が第１の温度を下回ったとき、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯とを交互に繰り返す制御を開始するとともに、前記燃料電池の温度が前記第１の温度より低い第２の温度を下回ったとき、前記燃料ポンプを停止し、前記第１の温度は、前記第２の温度から６００℃の範囲内に設定されることを特徴としている。
【０００７】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池と改質器を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転を停止する際、燃料ポンプから改質器に送られる原燃料の流量に対する間欠的な制御が行われる。すなわち、第１の時間帯には原燃料を改質器に供給するとともに、第２の時間帯には原燃料の供給を停止するように制御する。これにより、原燃料の流量の時間平均値を減少させて燃料電池の降温速度を促進するとともに、原燃料の流量の周期的な制御により改質器の温度分布を緩和しつつ、水蒸気改質によって原燃料のパージを行う際の改質器の改質反応を安定に維持することができる。
【０００８】
第１及び第２の時間帯における原燃料の流量は、その時間平均値が、燃料ポンプにより制御可能な下限値より小さくなるように制御することが望ましい。例えば、第１の時間帯における原燃料の流量を、燃料ポンプにより制御可能な下限値に設定し、第２の時間帯において原燃料の供給を停止するように制御すればよい。これにより、燃料電池の運転停止時における燃料ポンプの制御は、下限値の流量で継続的に制御する場合に比べ、それより小さい時間平均値で流量を制御できるため、燃料電池を短時間で確実に冷却することが可能となる。
【０００９】
また、第１及び第２の時間帯における原燃料の流量は、一定のパターンに限られることなく、多様なパターンで制御することができる。例えば、第２の時間帯を固定とし、時間経過に伴って第１の時間帯が短くなるような制御や、あるいは、第１の時間帯を固定とし、時間経過に伴って第２の時間帯が長くなるような制御を採用することができる。さらに、例えば、時間経過に伴って第１及び第２の時間帯の繰り返し周期が長くなるような制御を採用することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度を検知する温度検知手段を設け、温度検知手段の検知結果に基づいて燃料ポンプを制御してもよい。この場合、例えば、運転停止時に燃料電池を降温させる際、燃料電池の温度が第１の温度を下回ったとき、第１及び第２の時間帯を交互に繰り返す制御を開始してもよい。また例えば、燃料電池の温度が第１の温度より低い第２の温度を下回ったとき、燃料ポンプを停止するように制御してもよい。
【００１１】
一方、本発明の燃料電池システムにおいて、改質器に水を送り出す水ポンプと、燃料電池に前記酸化剤ガスを送り出す空気ポンプとを更に設け、水ポンプ及び空気ポンプをそれぞれ制御し、運転停止時に前記燃料電池を降温させる際、燃料ポンプの制御に連動して水ポンプ及び空気ポンプを制御することが望ましい。
【００１２】
また、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムの運転停止方法は、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、原燃料を水蒸気により改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料電池での電気化学反応後の余剰の前記燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼手段と、前記改質器に前記原燃料を送り出す燃料ポンプと、前記燃料電池の動作状態に応じて前記燃料ポンプを制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムの運転停止方法において、前記燃料電池の運転停止時に前記燃料電池を降温させる際、前記燃料電池の発電を停止した後も燃料ポンプの動作を続け、前記燃料電池が第１の温度を下回ったとき、第１の時間帯においては前記燃料ポンプによる前記原燃料の供給を行うとともに、第２の時間帯においては前記燃料ポンプによる前記原燃料の供給を停止し、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯とを交互に繰り返し、前記燃料電池が前記第１の温度より低い第２の温度を下回ったとき、前記燃料ポンプを停止し、前記第１の温度は、前記第２の温度から６００℃の範囲内に設定されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転停止時に、原燃料を供給する第１の時間帯と原燃料の供給を停止する第２の時間帯を交互に繰り返して燃料電池を降温するように制御するので、燃料電池を迅速な降温速度で冷却するとともに、改質器により円滑な水蒸気改質を維持して信頼性を確保し得る燃料電池システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】本実施形態の燃料電池システムの運転停止時に実行される基本的な制御フローを示す図である。
【図３】図２の制御フローを適用した場合の動作例を示す図である。
【図４】本実施形態の第１の変形例に係る制御フローを示す図である。
【図５】本実施形態の第２の変形例に係る制御フローを示す図である。
【図６】本実施形態の第３の変形例に係る制御フローを示す図である。
【図７】本実施形態の第４の変形例に係る制御フローを示す図である。
【図８】図４〜図７の各変形例を適用した場合の原燃料流量の波形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明を具体化した燃料電池システムの形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。
【００１６】
図１は、本実施形態の燃料電池システム１の構成例を示している。図１に示すように、燃料電池システム１に設けられた断熱容器Ｃ内には、燃料電池スタック１０、改質器１１、上部燃焼層１２、下部燃焼層１３、温度センサ１４が一体的に収容されている。また、燃料電池システム１において、断熱容器Ｃの周囲には、制御部２０、水ポンプ２１、水管路２２、燃料ポンプ２３、原燃料管路２４、空気ポンプ２５、空気管路２６、パワーコントローラ２７が設けられている。なお、実際の燃料電池システム１には、他にも多くの構成要素が含まれるが、図１では省略している。
【００１７】
燃料電池スタック１０は、燃料電池の構成単位である燃料電池セルを複数個積層して形成される。燃料電池セルは、燃料ガス中の水素と空気中の酸化剤ガス（酸素）の電気化学反応を利用して、燃料極であるアノードと空気極であるカソードとの間に起電力を発生する。燃料電池スタック１０としては、コジェネレーションシステムに導入可能な多様な方式を採用可能であるが、一例として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いることができる。なお、図１において、燃料電池スタック１０に代え、単位の燃料電池セルのみを設ける場合であっても本発明の適用が可能である。
【００１８】
改質器１１は、炭化水素を含む原燃料を水蒸気により改質し、改質後の燃料ガスを燃料電池スタック１０に送り出す。図１には示されないが、改質器１１には、燃料ポンプ２３から原燃料管路２４を介して供給される原燃料を脱硫する脱硫器と、水ポンプ２１から水管路２２を経由して供給される水を気化して改質に用いる水蒸気を生成する気化器が付随している。燃料電池スタック１０では、改質器１１から送られる改質後の燃料ガスが各燃料極に導入されるとともに、空気ポンプ２５及び空気管路２６から送られる空気（酸化剤ガス）が各空気極に導入される。そして、燃料電池スタック１０の各単位セルにおける燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応に基づく発電出力は、パワーコントローラ２７に送られる。また、燃料電池スタック１０に送られた改質後の燃料ガスのうち、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガス（残ガス）が流路Ｐ１を経由して上部燃焼層１２に送られる。一方、燃料電池スタック１０に供給された空気の一部は流路Ｐ２を経由して上部燃焼層１２に送られる。
【００１９】
ここで、改質器１１による水蒸気改質は吸熱反応であって十分に加熱する必要がある。そのため、残ガスを燃焼させる燃焼手段としての上部燃焼層１２及び下部燃焼層１３により改質器１１を十分に加熱するために、改質触媒が充填された改質器１１（改質層）を燃焼触媒が充填された上部燃焼層１２及び下部燃焼層１３により上下から挟んだ３層構造としたものである。上部燃焼層１２において残ガスが空気とともに燃焼することにより燃焼熱が発生し、さらに下部燃焼層１３において同様の燃焼による燃焼熱が発生する。これにより、上部燃焼層１２及び下部燃焼層１３により燃焼熱が上下から改質器１１に伝達され、その温度が次第に上昇する。燃料電池スタック１０から上部燃焼層１２及び下部燃焼層１３を経由して外部に排出される排気ガスは、熱交換器（不図示）に送られて湯水との間で熱交換が行われる。なお、上部燃焼層１２の燃焼熱により、その近傍に位置する燃料電池スタック１０を加熱可能な構造になっている。
【００２０】
なお、図１の構成例では、改質器１１の上下に燃焼手段としての上部燃焼層１２及び下部燃焼層１３を配置する構造を示したが、この構造には限られず、改質器１１の上側又は下側に燃焼手段としての１層の燃焼層を配置してもよい。
【００２１】
温度センサ１４は、燃料電池スタック１０の温度と改質器１１の温度をそれぞれ計測し、それぞれの計測値を制御部２０に送出する温度検知手段である。なお、図１では簡略化のため、１つの温度センサ１４を示しているが、実際には燃料電池スタック１０と改質器１１のそれぞれの近傍に温度センサが設けられる。本実施形態では、温度センサ１４の計測値を用いて、燃料電池スタック１０の運転停止時に燃料電池スタック１０及び改質器１１の温度を低下させる制御手法に特徴があるが、その詳細は後述する。なお、かかる処理において、温度センサ１４の計測値に代え、後述の他の手段を用いる場合は、温度センサ１４を設けなくてもよい。
【００２２】
制御部２０は、燃料電池システム１全体の動作を制御する制御手段として機能し、例えば、本実施形態の処理を実現するプログラムを実行可能なマイクロプロセッサや処理に必要なデータを記憶するメモリ等により構成される。制御部２０は、燃料電池スタック１０の動作状態に応じて、水ポンプ２１、燃料ポンプ２３、空気ポンプ２５に対し、それぞれの流量を制御する制御信号を送出する。水ポンプ２１は、水タンク（不図示）に蓄えられている水を水管路２２に送り出す。燃料ポンプ２３は、外部から取り込まれた原燃料を原燃料管路２４に送り出す。空気ポンプ２５は、外部から取り込まれた空気を空気管路２６に送り出す。なお、水管路２２及び原燃料管路２４は改質器１１に接続され、空気管路２６は燃料電池スタック１０に接続されている点は上述した通りである。本実施形態では、上述の燃料電池スタック１０の運転停止時に、燃料ポンプ２３の原燃料流量を間欠制御する点に特徴があるが、詳しくは後述する。さらに、制御部２０は、パワーコントローラ２７による外部の負荷への電力供給量を制御する。
【００２３】
次に、本実施形態の燃料電池システム１における制御手法の具体例について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、本実施形態の燃料電池システム１の運転停止時に実行される基本的な制御フローを示すとともに、図３は、図２の制御フローを適用した場合の動作例を示している。図２の制御フローにおいては、燃料電池システム１が定常運転の状態にあるとき、制御部２０の制御によって運転停止のシーケンスが実行され、燃料電池スタック１０の発電が停止される（ステップＳ１０）。このとき、制御部２０のタイマー機能に基づいて更新される経過時間のカウントを開始する（ステップＳ１１）。ステップＳ１０、Ｓ１１は、図３におけるタイミングｔａに対応する。図３に示すように、タイミングｔａに至るまでは、燃料電池スタック１０及び改質器１１がそれぞれ一定のスタック温度及び改質器温度を保っているが、タイミングｔａ以降は後述の制御によってスタック温度及び改質器温度がそれぞれ低下し始める。
【００２４】
次いで、温度センサ１４の計測値に基づき、燃料電池スタック１０におけるスタック温度と所定の上限温度Ｔｍａｘとの大小関係を判定する（ステップＳ１２）。上限温度Ｔｍａｘ以上ではガスの拡散速度や反応速度が速いため、とりわけ燃料ガスと酸化剤ガスを完全にガスシールできない構造の燃料電池スタック１０の場合、クロスリークによってアノードが還元雰囲気を維持できなくなるためアノードの電極材が劣化する問題がある。そのためこの上限温度Ｔｍａｘは、後述の原燃料流量の間欠制御を開始し得るスタック温度の上限値に設定する必要がある。例えば、Ｔｍａｘ＝６００℃に設定される。ステップＳ１２の判定の結果、スタック温度が上限温度Ｔｍａｘを超えているときは、上述の経過時間をリセットする（ステップＳ１３）。続いて、燃料ポンプ２３に対する原燃料流量を流量値Ｆａに設定する（ステップＳ１４）。この流量値Ｆａは、燃料電池スタック１０及び改質器１１のそれぞれの温度を低下させるべく、燃料ポンプ２３に対して制御可能な最低の流量値に設定され、初期時点の流量値Ｆ０（図３）よりも十分に低い値に設定する必要がある。例えば、Ｆａ＝０．５Ｌ／ｍｉｎに設定される。なお、図３のタイミングｔａの前の初期時点には、例えば、Ｆ０＝１．８Ｌ／ｍｉｎに設定される。
【００２５】
一方、ステップＳ１２の判定の結果、スタック温度が上限温度Ｔｍａｘ以下であるときは、図３におけるタイミングｔ０に対応し、原燃料流量の間欠制御（ステップＳ１５〜Ｓ１９）が開始される。まず、ステップＳ１１でカウントが開始された経過時間と、予め設定された期間Ｐａ（図３）との大小関係を判定する（ステップＳ１５）。その結果、経過時間が期間Ｐａ以下であるときは、続いて、上述の経過時間と、予め設定された期間Ｐｂ（図３）との大小関係を比較する（ステップＳ１６）。ここで、図３に示すように、期間Ｐａは間欠制御の１周期に相当し、期間Ｐｂは期間Ｐａの前半の期間に相当する。例えば、Ｐａ＝１０秒、Ｐｂ＝３秒に設定される。
【００２６】
ステップＳ１６の判定の結果、経過時間が期間Ｐｂに満たないときは、燃料ポンプ２３に対する原燃料流量を流量値Ｆａに設定する（ステップＳ１７）。一方、経過時間が期間Ｐｂを超えたときは、燃料ポンプ２３に対する原燃料流量の流量値をゼロに設定する（ステップＳ１８）。つまり、ステップＳ１８では、燃料ポンプ２３による原燃料流量の供給が一時的に停止される。図３の原燃料流量の波形によれば、間欠制御の１周期である期間Ｐａにおいて、第１の時間帯である前半の期間Ｐｂには燃料ポンプ２３の原燃料流量が流量値Ｆａとなり、第２の時間帯である後半の期間（Ｐｂ以外の期間）には原燃料の供給が停止（流量値がゼロ）されることがわかる。
【００２７】
また、ステップＳ１５の判定の結果、経過時間が期間Ｐａを超えたときは、間欠制御の１周期が完了するので、経過時間をリセットする（ステップＳ１９）。そして、ステップＳ１４、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９のいずれかに続いて、上述のスタック温度と所定の下限温度Ｔｍｉｎとの大小関係を判定する（ステップＳ２０）。この下限温度Ｔｍｉｎは、燃料電池スタック１０を水蒸気によってパージ可能なスタック温度の最低値に設定する必要がある。例えば、Ｔｍｉｎ＝４００℃に設定される。ステップＳ２０の判定の結果、スタック温度が下限温度Ｔｍｉｎ以上であるときは、ステップＳ１２に戻って再び図２の処理を繰り返す。一方、ステップＳ２０の判定の結果、スタック温度が下限温度Ｔｍｉｎを下回ったときは、燃料ポンプ２３に対する原燃料流量の供給を停止（流量値がゼロ）する（ステップＳ２１）。ステップＳ２１は、図３におけるタイミングｔ１に対応する。その後、燃料電池スタック１０の運転を停止する（ステップＳ２２）。
【００２８】
なお、図２の制御フローには示されないが、水ポンプ２１に対する水流量に関しても、燃料ポンプ２３に対する原燃料流量の変化に追随させて制御することが望ましい。これは、改質器１１の改質反応に用いる原燃料と水蒸気の比率が変動し、Ｓ／Ｃ（スチームカーボン比）が適正な範囲内に保てなくなることを防止するためである。よって、制御部２０では、原燃料流量を増加させるときは水流量も増加させ、原燃料流量を減少させるときは水流量も減少させるような制御を行うことが前提である。同様に、空気ポンプ２５に対する流量に対しても、燃料ポンプ２３に対する原燃料流量の変化に追随させて制御することが望ましい。
【００２９】
ここで、図３の動作例においては、燃料電池システム１の運転停止時の改質器温度及びスタック温度に関し、図２の制御フローに基づく間欠制御を適用した場合の推移を実線で示すとともに、図２の処理を適用しなかった場合の推移を比較例として点線で示している。図３に示すように原燃料流量は定常運転時には流量値Ｆ０を保ち、タイミングｔａにおいて、燃料ポンプ２３に対して制御可能な最低の流量値Ｆａまで減少する。タイミングｔ１以降、比較例では流量値Ｆａを保持するのに対し、本実施形態の間欠制御では、期間Ｐａ内で流量値Ｆａとゼロとを交互に繰り返すように制御される。つまり、運転停止に先立って改質後の燃料ガスをパージする際、比較例では最低の流量値Ｆａで原燃料ガスを供給してパージするのに対し、本実施形態の場合は間欠制御によって流量値Ｆａより小さい時間平均値で原燃料ガスを供給してパージする点が異なる。
【００３０】
上述の制御の相違は、改質器温度及びスタック温度の実線と点線の乖離に反映され、本実施形態の制御フローを適用することにより、上部燃焼層１２及び下部燃焼層１３における単位時間内の燃焼量が減少し、改質器温度及びスタック温度を短時間で低下させることができる。よって、燃料電池スタック１０の運転が停止するのは、本実施形態の制御フローを適用したときはタイミングｔ１であり、比較例のタイミングｔ２に比べて大幅に早めることができる。ここで、間欠制御時の改質器１１に着目すると、上部燃焼層１２及び下部燃焼層１３から受ける燃焼熱が減少したとき、本来は改質器１１の改質反応が不十分になる恐れがある。しかし、改質器１１は熱伝導率が小さいため、加熱時に上部燃焼層１２と下部燃焼層１３からの距離に応じた温度分布が生じる。そのため、本実施形態の間欠制御時に原燃料流量の時間平均値が減少したとしても、原燃料流量が流量値Ｆａに制御される期間Ｐｂに受け取った熱量は、原燃料流量の供給が停止される期間において改質器１１の表面近傍から内部まで伝達することになるので、改質器１１の改質反応を比較的安定化させることができる。
【００３１】
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１の運転停止時に上述の制御フローを実行することにより、燃料電池スタック１０を所定の温度まで降温させるのに要する時間を短縮するとともに、改質器１１による水蒸気改質によって、燃料電池スタック１０に滞留している燃料ガスを確実にパージすることができる。このとき、制御部２０の燃料ポンプ２３に対する制御は、改質器１１への原燃料流量が流量値Ｆａとゼロとを交互に繰り返すので、流量値の時間平均値を低減してトータルの発電効率を向上させることができる。なお、本実施形態では、流量値Ｆａを、燃料ポンプ２３に対して制御可能な最低の流量値にする場合を説明したが、原燃料流量の時間平均値が最低の流量値より低ければ、流量値Ｆａより大きい流量値を設定してもよい。また、上述したような改質器１１への燃焼熱による温度分布を考慮すると、円滑な改質反応を維持できるため、アノードの電極材の劣化等に起因する信頼性の低下を防止することができる。
【００３２】
本実施形態において、上述の効果が得られる限り、期間Ｐａ、Ｐｂは多様な設定が可能である。なお、図２の制御フローにおいては期間Ｐａ、Ｐｂが予め設定されているので、期間Ｐａ、Ｐｂに対応するデータを制御部２０により読み出し可能なメモリ内に構成したデータテーブルに保持しておくことができる。このデータテーブルの内容は、燃料電池スタック１０及び改質器１１の動作を事前に解析しておくことで作成することができる。そして、図２の制御フローの実行時に、制御部２０がデータテーブルを適宜参照して、読み出しデータに基づいて期間Ｐａ、Ｐｂに対応する経過時間をカウントすればよい。
【００３３】
本実施形態の燃料電池システム１の運転停止時においては、図２に示す基本的な制御フローに限られることなく、多様な変形例を適用することができる。図４〜図７は、本実施形態の制御手法として適用可能な代表的な変形例のいくつかの制御フローを示すとともに、図８は、図４〜図７の各変形例を適用した場合の原燃料流量の波形例を示している。図４〜図７の各変形例に係る制御フローの多くは図２の制御フローと共通であるので、以下では主に異なる点について説明する。なお、図８の各波形は、図３の動作例のうちタイミングｔ０からタイミングｔ１に至る範囲内の原燃料流量の波形に対応する。
【００３４】
図４は、本実施形態の第１の変形例に係る制御フローを示している。第１の変形例において図２の制御フローとの相違は、ステップＳ１２、Ｓ１５の間にステップＳ１００〜Ｓ１０２を挿入した点である。すなわち、ステップＳ１２の判定の結果、スタック温度が上限温度Ｔｍａｘ以下であるときは、続いて、スタック温度と所定の切り替え温度Ｔｓとの大小関係を判定する（ステップＳ１００）。この切り替え温度Ｔｓは、間欠制御の１周期を短い期間から長い期間に切り替えるときの温度であり、上限温度Ｔｍａｘと下限温度Ｔｍｉｎとの間の温度に設定する必要がある。例えば、Ｔｓ＝５００℃に設定される。ステップＳ１００の判定の結果、スタック温度が切り替え温度Ｔｓを超えているときは、間欠制御の１周期である期間Ｐａを所定の期間Ｐａ１に設定し（ステップＳ１０１）、スタック温度が切り替え温度Ｔｓ以下であるときは、上述の期間Ｐａを期間Ｐａ１より長い期間Ｐａ２に設定する（ステップＳ１０２）。例えば、Ｐａ１＝１０秒、Ｐａ２＝１５秒に設定される。ステップＳ１０１又はＳ１０２に続いて、ステップＳ１５に移行する。ステップＳ１００〜Ｓ１０２以外の処理は図２で説明した通りであるため、説明を省略する。
【００３５】
第１の変形例を適用したときの原燃料流量は、例えば、図８（ａ）に示す波形で変化する。すなわち、間欠制御が始まるタイミングｔ０（図３）と原燃料の供給を停止するタイミングｔ１（図３）との間において、スタック温度が切り替え温度Ｔｓに達するタイミングｔｓを境にして、前半のタイミングｔ０〜ｔｓの間は間欠制御の１周期が期間Ｐａ１（例えば１０秒）であるが、後半のタイミングｔｓ〜ｔ１の間は間欠制御の１周期が期間Ｐａ２（例えば１５秒）と長くなる。なお、いずれの期間Ｐａ１、Ｐａ２が設定されたとしても、原燃料流量を流量値Ｆａに制御する期間Ｐｂは一定（例えば、３秒）であるため、期間Ｐａ１、Ｐａ２の切り替えにより原燃料流量の時間平均値が低下方向に変化する。従って、第１の変形例により、温度が比較的高い時間帯においては改質反応を安定化して確実にパージを行うために原燃料流量の時間平均値を高く保ち、ある程度時間が経過して温度が比較的低下する時間帯においては迅速に冷却を行うために原燃料流量の時間平均値を低くすることができる。
【００３６】
図５は、本実施形態の第２の変形例に係る制御フローを示している。第２の変形例において図２の制御フローとの相違は、ステップＳ１２、Ｓ１５の間にステップＳ１１０〜Ｓ１１２を挿入した点である。すなわち、ステップＳ１２の判定の結果、スタック温度が上限温度Ｔｍａｘ以下であるときは、続いて、スタック温度と所定の切り替え温度Ｔｓとの大小関係を判定する（ステップＳ１１０）。この切り替え温度Ｔｓは、間欠制御の１周期内の第１の時間帯（期間Ｐｂ）を長い期間から短い期間に切り替えるときの温度であり、第１の変形例の切り替え温度Ｔｓと同様に設定することができる（例えば、Ｔｓ＝５００℃）。ステップＳ１１０の判定の結果、スタック温度が切り替え温度Ｔｓを超えているときは、間欠制御の１周期内の期間Ｐｂを所定の期間Ｐｂ１に設定し（ステップＳ１１１）、スタック温度が切り替え温度Ｔｓ以下であるときは、間欠制御の１周期内の期間Ｐｂを期間Ｐｂ１より短い期間Ｐｂ２に設定する（ステップＳ１１２）。例えば、Ｐｂ１＝３秒、Ｐｂ２＝２秒に設定される。ステップＳ１１１又はＳ１１２に続いて、ステップＳ１５に移行する。ステップＳ１１０〜Ｓ１１２以外の処理は図２で説明した通りであるため、説明を省略する。
【００３７】
第２の変形例を適用したときの原燃料流量は、例えば、図８（ｂ）に示す波形で変化する。図８（ｂ）においては、図８（ａ）と同様のタイミングｔ０、ｔ１の間において、スタック温度が切り替え温度Ｔｓに達するタイミングｔｓを境にして、前半のタイミングｔ０〜ｔｓの間には原燃料を供給する期間Ｐｂ１（例えば３秒）が長く、後半のタイミングｔｓ〜ｔ１の間には期間Ｐｂ２（例えば２秒）と短くなる。第２の変形例では、第１の変形例とは異なり、間欠制御の１周期は常に一定の期間Ｐａ（例えば１０秒）に設定されるので、期間Ｐｂ１、Ｐｂ２の切り替えにより原燃料流量の時間平均値が低下方向に変化する。従って、第２の変形例により、第１の変形例と同様の作用が得られ、温度が高い時間帯における改質反応の安定化と温度が低下する時間帯における冷却の迅速化を両立することができる。
【００３８】
図６は、本実施形態の第３の変形例に係る制御フローを示している。第３の変形例は、第１の変形例と第２の変形例を組み合わせた制御を行う。すなわち、図６に示すように、ステップＳ１２、Ｓ１５の間に挿入したステップＳ１２０〜１２２により、図４のステップＳ１００〜Ｓ１０２と図５のステップＳ１１０〜Ｓ１１２の両方が一体的に組み込まれている。よって、スタック温度が切り替え温度Ｔｓを超えているときは（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、間欠制御の１周期である期間Ｐａが短い期間（Ｐａ１）に設定されると同時に第１の時間帯である期間Ｐｂが長い期間（Ｐｂ１）に設定される。一方、スタック温度が切り替え温度Ｔｓ以下に低下したときは（ステップＳ１２０：ＮＯ）、期間Ｐａが長い期間（Ｐａ２）に切り替えられると同時に期間Ｐｂが短い期間（Ｐｂ２）に切り替えられる。それ以外の処理は図２で説明した通りであるため、説明を省略する。
【００３９】
第３の変形例を適用したときの原燃料流量は、例えば、図８（ｃ）に示す波形で変化する。図８（ｃ）においては、スタック温度が切り替え温度Ｔｓに達するタイミングｔｓを境にして、前半のタイミングｔ０〜ｔｓの間には、間欠制御の１周期が期間Ｐａ１と短くかつ原燃料を供給する期間Ｐｂ１が長く、後半のタイミングｔｓ〜ｔ１の間には、間欠制御の１周期が期間Ｐａ２と長くかつ原燃料を供給する期間Ｐｂ２が短くなる。よって、図８（ｃ）においては、図８（ａ）（ｂ）と比べると、前半の原燃料流量の時間平均値が相対的に大きくなり、後半の原燃料流量の時間平均値が相対的に小さくなるため、第３の変形例により、第１及び第２の変形例の作用を一層促進することができる。
【００４０】
図７は、本実施形態の第４の変形例に係る制御フローを示している。第４の変形例は、第１の変形例と第２の変形例を組み合わせた制御を行うが、第３の変形例とは異なり、期間Ｐａ、Ｐｂを別々に設定するものである。すなわち、図７のステップＳ１２、Ｓ１５の間に挿入したステップＳ１３０〜１３５により、図５のステップＳ１１０〜Ｓ１１２と図４のステップＳ１００〜Ｓ１０２とが順番に組み込まれている。このうち、ステップＳ１３０の判定に用いる切り替え温度Ｔｓは、図４のステップＳ１００及び図５のステップＳ１１０と共通であるのに対し、ステップＳ１３３の判定に用いる切り替え温度Ｔｓｓは、切り替え温度Ｔｓと異なる温度に設定される。例えば、Ｔｓ＝５００℃、Ｔｓｓ＝４５０℃に設定される。なお、図７のステップＳ１３１、Ｓ１３２は図５のステップＳ１１１、１１２と共通であり、図７のステップＳ１３４、Ｓ１３５は図４のステップＳ１０１、１０２と共通である。それ以外の処理は図２で説明した通りであるため、説明を省略する。
【００４１】
第４の変形例を適用したときの原燃料流量は、例えば、図８（ｄ）に示す波形で変化する。図８（ｄ）においては、スタック温度が切り替え温度Ｔｓに達するタイミングｔｓ１と、さらにスタック温度が低下して切り替え温度Ｔｓｓに達するタイミングｔｓ２とをそれぞれ境にして、３段階で波形が変化する。最初のタイミングｔ０〜ｔｓ１の間には、間欠制御の１周期が期間Ｐａ１と短くかつ原燃料を供給する期間Ｐｂ１が長く、次のタイミングｔｓ１〜ｔｓ２の間には、間欠制御の１周期が期間Ｐａ１と変化せずかつ原燃料を供給する期間Ｐｂ２が短くなり、最後のタイミングｔｓ２〜ｔ１の間には、間欠制御の１周期が期間Ｐａ２と長くなりかつ原燃料を供給する期間Ｐｂ２は変化しない。つまり、原燃流量の時間平均値は３段階で次第に小さくなっていくため、第４の変形例により、きめ細かく原燃料流量を制御することができる。
【００４２】
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、本実施形態では、温度センサ１４により計測した温度計測値を用いて制御を行う例を示しているが、これには限定されず、他の手段により制御を行ってもよい。例えば、燃料電池スタック１０の内部抵抗を検知し、内部抵抗を所定の抵抗値と比較することで、制御を行うことができる。本実施形態において、図１に示す燃料電池システム１の構成例や、図２及び図４〜図７に示す制御フローはいずれも一例であるので、同様の目的を達成できる限り適宜に変更可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１１…改質器
１２…上部燃焼層
１３…下部燃焼層
１４…温度センサ
２０…制御部
２１…水ポンプ
２２…水管路
２３…燃料ポンプ
２４…原燃料管路
２５…空気ポンプ
２６…空気管路
２７…パワーコントローラ
Ｃ…断熱容器
【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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