(57)【要約】      （修正有）【課題】停止動作中に燃料電池スタックのアノード内でのニッケルの酸化およびカーボンの析出を防ぐように構成された燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１２と、アノード再循環ループ１１と、アノード再循環ループに燃料を供給するための燃料供給装置と、燃料電池スタックのカソードに空気を供給するための空気供給装置と、燃料電池スタックの電圧を監視するための電圧監視装置と、アノード保護制御器とを含む燃料電池システム２００である。アノード保護制御器は、燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧閾値より下がったときはいつでも、燃料電池スタックから引き出される電流を所定の量だけ減少させ、減少した電流に基づいてアノード再循環ループに供給される燃料流量を減少させて、アノード再循環ループ内のスチーム／カーボン比を所定のスチーム／カーボン比限界より高く保つ。【選択図】図２
2018139207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を発生させ、アノード（１２１）およびカソード（１２２）を有するように構成された燃料電池スタック（１２）を備えるアノード再循環ループ（１１）と、
前記アノード再循環ループ（１１）に燃料を供給するための燃料供給装置（１４１）と、
前記燃料電池スタック（１２）の前記カソード（１２２）に空気を供給するための空気供給装置（１５１）と、
前記燃料電池スタック（１２）の電圧（ＶFC）を監視するための電圧監視装置（２１）と、
前記燃料電池スタック（１２）の前記電圧（ＶFC）が、所定の電圧閾値（Ｖth）より下がったときはいつでも、前記燃料電池スタック（１２）から引き出される電流（Ｉ）を所定の量（ΔＩ）だけ減少させ、前記減少した電流に基づいて前記アノード再循環ループ（１１）に供給される前記燃料の燃料流量（Ｑfuel）を減少させて、前記アノード再循環ループ（１１）内のスチーム／カーボン比（ＳＣＲ）を所定のスチーム／カーボン比限界（ＳＣＲlimit）より高く保つ、アノード保護制御器（２２）と
を備える燃料電池システム（２００）。
【請求項２】
前記燃料電池スタック（１２）の前記電圧（ＶFC）が、前記所定の電圧閾値（Ｖth）より高い、または等しいときで、前記アノード保護制御器（２２）が、前記電流（Ｉ）が前記所定の量ΔＩよりまだ多い場合、前記燃料電池スタック（１２）の前記電圧（ＶFC）が前記所定の電圧閾値（Ｖth）より下がるまで待ち、前記電流（Ｉ）が前記所定の量（ΔＩ）より少ない、または等しい場合、前記電流（Ｉ）をゼロに設定する、請求項１記載の燃料電池システム（２００）。
【請求項３】
燃料改質用の水蒸気を前記アノード再循環ループ（１１）に供給するための水蒸気供給装置（１６１）をさらに備える請求項１または２記載の燃料電池システム（２００）。
【請求項４】
前記燃料電池スタック（１２）の前記電圧（ＶFC）が前記所定の電圧閾値（Ｖth）より下がったときはいつでも、前記アノード保護制御器（２２）が、前記アノード再循環ループ（１１）に供給される前記水蒸気の水蒸気流量（Ｑsteam）をさらに増大させる、請求項３記載の燃料電池システム（２００）。
【請求項５】
前記アノード保護制御器（２２）がスチーム／カーボン比モデル（２２０）を備え、前記アノード保護制御器（２２）が、前記減少した電流にしたがって、前記スチーム／カーボン比モデル（２２０）から、減少させる燃料流量の指令を決定する、請求項３記載の燃料電池システム（２００）。
【請求項６】
前記スチーム／カーボン比モデル（２２０）が、前記アノード再循環ループ（１１）に供給される前記燃料流量（Ｑfuel）、前記アノード再循環ループ（１１）に供給される前記水蒸気流量（Ｑsteam）、前記燃料電池スタック（１２）から引き出される前記電流（Ｉ）、および前記燃料電池スタック（１２）の温度（Ｔstack）から前記アノード再循環ループ（１１）内の前記スチーム／カーボン比（ＳＣＲ）のマップを作るための関係を定める、請求項５記載の燃料電池システム（２００）。
【請求項７】
前記燃料電池スタック（１２）の前記温度（Ｔstack）が所定の温度より高いときで、前記燃料電池スタック（１２）から引き出された前記電流（Ｉ）がゼロより多く、前記アノード再循環ループ（１１）に供給された前記水蒸気流量（Ｑsteam）がゼロの場合、前記スチーム／カーボン比モデル（２２０）の前記アノード再循環ループ（１１）内の前記スチーム／カーボン比（ＳＣＲ）が、前記アノード再循環ループ（１１）に供給された燃料流量（Ｑfuel）および前記燃料電池スタック（１２）から引き出された前記電流（Ｉ）と関係している、請求項６記載の燃料電池システム（２００）。
【請求項８】
前記燃料電池スタック（１２）の前記温度（Ｔstack）が所定の温度より高いときで、前記燃料電池スタック（１２）から引き出された前記電流（Ｉ）がゼロより多く、前記アノード再循環ループ（１１）に供給された前記水蒸気流量（Ｑsteam）がゼロより多い場合、前記スチーム／カーボン比モデル（２２０）の前記アノード再循環ループ（１１）内の前記スチーム／カーボン比（ＳＣＲ）が、前記アノード再循環ループ（１１）に供給された前記燃料流量（Ｑfuel）、前記アノード再循環ループ（１１）に供給された前記水蒸気流量（Ｑsteam）、および前記燃料電池スタック（１２）から引き出された前記電流（Ｉ）と関係している、請求項６記載の燃料電池システム（２００）。
【請求項９】
前記燃料電池スタック（１２）の前記温度（Ｔstack）が所定の温度より高いときで、前記燃料電池スタック（１２）から引き出された前記電流（Ｉ）がゼロで、前記アノード再循環ループ（１１）に供給された前記水蒸気流量（Ｑsteam）がゼロより多い場合、前記スチーム／カーボン比モデル（２２０）の前記アノード再循環ループ（１１）内の前記スチーム／カーボン比（ＳＣＲ）が、前記アノード再循環ループ（１１）に供給された前記燃料流量（Ｑfuel）、前記アノード再循環ループ（１１）に供給された前記水蒸気流量（Ｑsteam）、および前記燃料電池スタック（１２）の前記温度（Ｔstack）と関係している、請求項６記載の燃料電池システム（２００）。
【請求項１０】
前記燃料電池スタック（１２）の前記温度（Ｔstack）が所定の温度より低いとき、前記スチーム／カーボン比モデル（２２０）の前記アノード再循環ループ（１１）内の前記スチーム／カーボン比（ＳＣＲ）が、前記アノード再循環ループ（１１）に供給された前記燃料流量（Ｑfuel）および前記アノード再循環ループ（１１）に供給された前記水蒸気流量（Ｑsteam）と関係している、請求項６記載の燃料電池システム（２００）。
【請求項１１】
前記燃料電池スタック（１２）の前記電圧（ＶFC）が、前記所定の電圧閾値（Ｖth）より下がったときでも、前記アノード保護制御器（２２）が、前記アノード（１２１）と前記カソード（１２２）との間の差圧を所定の圧力範囲にさらに保つ、請求項１または２記載の燃料電池システム（２００）。
【請求項１２】
前記燃料電池スタック（１２）の前記アノード（１２１）が、アノード入口（１２１１）およびアノード出口（１２１２）を有し、前記アノード再循環ループ（１１）がさらに、
前記燃料、および前記燃料電池スタック（１２）の前記アノード出口（１２１２）からの排ガスを受け取り、リフォーメートを発生させるための燃料改質器（１３）であって、前記リフォーメートの少なくとも一部分を、前記燃料電池スタック（１２）の前記アノード入口（１２１１）に戻す、燃料改質器（１３）
を備える、請求項１記載の燃料電池システム（２００）。
【請求項１３】
燃料電池システム（２００）のための停止方法であって、前記燃料電池システム（２００）が、電力を発生させるための燃料電池スタック（１２）を有するアノード再循環ループ（１１）を備え、
前記燃料電池スタック（１２）の電圧（ＶFC）を監視するステップと、
前記燃料電池スタック（１２）の前記電圧（ＶFC）が、所定の電圧閾値（Ｖth）より下がったときはいつでも、前記燃料電池スタック（１２）から引き出される電流（Ｉ）を所定の量（ΔＩ）だけ減少させるステップと、
前記減少した電流に基づいて前記アノード再循環ループ（１１）に供給される燃料の燃料流量（Ｑfuel）を減少させて、前記アノード再循環ループ（１１）内のスチーム／カーボン比（ＳＣＲ）を所定のスチーム／カーボン比限界（ＳＣＲlimit）より高く保つステップと
を含む停止方法。
【請求項１４】
前記燃料電池スタック（１２）の前記電圧（ＶFC）が、前記所定の電圧閾値（Ｖth）より高い、または等しいときで、前記電流（Ｉ）が前記所定の量（ΔＩ）よりまだ多い場合、前記燃料電池スタック（１２）の前記電圧（ＶFC）が前記所定の電圧閾値（Ｖth）より下がるまで待つステップと、
前記電流（Ｉ）が前記所定の量（ΔＩ）より少ない、または等しい場合、前記電流（Ｉ）をゼロに設定するステップと
をさらに含む請求項１３記載の停止方法。
【請求項１５】
前記燃料電池スタック（１２）の前記電圧（ＶFC）が、前記所定の電圧閾値（Ｖth）より下がっても、前記燃料電池スタック（１２）のカソード（１２２）に供給される空気の空気流量（Ｑair）を一定に保つステップをさらに含む請求項１３または１４記載の停止方法。
【請求項１６】
前記燃料電池スタック（１２）の前記電圧（ＶFC）が、前記所定の電圧閾値（Ｖth）より下がったときでも、前記アノード再循環ループ（１１）に供給される水蒸気の水蒸気流量（Ｑsteam）を一定に保つステップをさらに含む請求項１５記載の停止方法。
【請求項１７】
前記燃料電池スタック（１２）の前記電圧（ＶFC）が前記所定の電圧閾値（Ｖth）より下がったときはいつでも、前記アノード再循環ループ（１１）に供給される水蒸気の水蒸気流量（Ｑsteam）を増大させるステップをさらに含む請求項１５記載の停止方法。
【請求項１８】
スチーム／カーボン比モデル（２２０）を事前確立するステップと、
前記減少した電流にしたがって、前記スチーム／カーボン比モデル（２２０）から、減少させる燃料流量の指令を決定するステップと
をさらに含む請求項１５記載の停止方法。
【請求項１９】
前記スチーム／カーボン比モデル（２２０）が、前記アノード再循環ループ（１１）に供給される燃料の燃料流量（Ｑfuel）、前記アノード再循環ループ（１１）に供給される水蒸気の水蒸気流量（Ｑsteam）、前記燃料電池スタック（１２）から引き出される前記電流（Ｉ）、および前記燃料電池スタック（１２）の温度（Ｔstack）から前記アノード再循環ループ（１１）内の前記スチーム／カーボン比（ＳＣＲ）のマップを作るための関係を定める、請求項１８記載の停止方法。
【請求項２０】
前記燃料電池スタック（１２）の前記電圧（ＶFC）が、前記所定の電圧閾値（Ｖth）より下がったときでも、前記アノード保護制御器（２２）が、前記燃料電池スタック（１２）のアノード（１２１）と前記カソード（１２２）との間の差圧を所定の圧力範囲に保つステップをさらに含む請求項１５記載の停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびその停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この開示は一般に、燃料電池分野に関し、より詳細には、アノードが保護された燃料電池システムおよびその燃料電池システムのための停止方法に関する。
【０００３】
燃料電池は、水素などの燃料を大気中に含まれる酸素などの酸化剤と電気化学反応させることによって、燃料からの化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができる電気化学装置である。燃料電池は環境面で優れ、高効率であるため、燃料電池システムは、エネルギー供給システムとして広く開発されている。システム効率および燃料利用率を改善し、外部の水の使用を低減するために、燃料電池システムは通常、アノード再循環ループを含む。単一の燃料電池は１Ｖの電圧しか発生することができないので、所望の電圧を得るために、通常、複数の燃料電池が一緒に積み重ねられている（通常、燃料電池スタックと呼ばれる）。
【０００４】
典型的な固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：ｓｏｌｉｄ  ｏｘｉｄｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）のアノードは一般に、ニッケル／イットリア安定化シルコニア（Ｎｉ／ＹＳＺ）サーメットより作られる。アノード内のニッケルは、燃料の酸化のための触媒、および電流導体として働く。燃料電池システムの通常の運転中では、ＳＯＦＣスタックは典型的には７００℃を超える温度で作動し、アノード内のニッケル（Ｎｉ）は、主に水素燃料ガスの連続的な供給により還元された形態のままとなっている。
【０００５】
しかしながら、例えば、燃料電池スタック内で交差漏れまたは外部への漏れが生じたとき、還元ガスがアノード内に十分なければ、アノード内のＮｉは再酸化を受ける場合がある。この場合、Ｎｉは、約３５０℃より高い温度で、カソード層から拡散した、またはアノード室に入った空気中の酸素と反応して酸化ニッケル（ＮｉＯ）を形成する場合がある。アノードの微細構造内でＮｉＯが形成されると、アノード層の体積が膨張する場合があり、それによって、ＳＯＦＣ構造体全体に応力がかかる。急速な酸化中、電解質は、酸化ニッケルが形成される速度ほど速く膨張することができず、その結果、電解質が亀裂する可能性が生じる。これによって、燃料と酸化剤ガスとが直接混合して、燃料電池温度が燃料の自己点火温度より高くなれば、破局的な結果になる場合がある。
【０００６】
実験室の環境では、ＳＯＦＣスタックは、典型的には窒素ガス中に水素を希釈混合した還元ガスを供給して再酸化から保護することができる。これは、ＳＯＦＣの停止またはスタンバイ状態中にアノード室をパージしてアノードの再酸化を防ぐために使用することができる。典型的なＳＯＦＣスタックでは、その運転温度から、アノード材料に大きな損傷が生じない温度より低い温度に冷却するのに通常、４から１２時間必要である。この時間中、還元ガスの消費需要に合うように多量の還元ガスおよび頻繁な容器の交換が必要となる。
【０００７】
さらに、燃料電池スタックの漏れを伴う停止過程では、アノード電極にカーボンが形成および析出しやすい。カーボンは、炭化水素分解、ブードア反応、または一酸化炭素（ＣＯ）還元によって形成される場合がある。カーボンは、燃料電池システムに水蒸気を導入して、特定の条件でＣＯと水素にすることによって除去することができる。カーボン形成速度がカーボン除去速度より速ければ、カーボンが析出する。カーボンの内部形成および析出の結果、アノードの効率が下がり、有用な装置の寿命が縮まって、システムを停止しなければならなくなる。
【０００８】
したがって、停止動作中に燃料電池スタックのアノード内でのニッケルの酸化およびカーボンの析出を防ぐように燃料電池システムを改善する必要性がある。さらに、このシステムは、設置および運転が経済的である必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態では、本開示は燃料電池システムを提供する。燃料電池システムは、アノード再循環ループ、燃料供給装置、空気供給装置、電圧監視装置、およびアノード保護制御器を備える。アノード再循環ループは、電力を発生させ、アノードおよびカソードを有するように構成された燃料電池スタックを備える。燃料供給装置は、アノード再循環ループに燃料を供給するように構成される。空気供給装置は、燃料電池スタックのカソードに空気を供給するように構成される。電圧監視装置は、燃料電池スタックの電圧を監視するように構成される。アノード保護制御器は、燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧閾値より下がったときはいつでも、燃料電池スタックから引き出される電流を所定の量だけ減少させ、減少した電流に基づいてアノード再循環ループに供給される燃料の燃料流量を減少させて、アノード再循環ループ内のスチーム／カーボン比を所定のスチーム／カーボン比限界より高く保つ。
【００１０】
別の実施形態では、本開示は、電力を発生させるための燃料電池スタックを有するアノード再循環ループを備える燃料電池システムのための停止方法を提供する。本停止方法は、燃料電池スタックの電圧を監視するステップと、燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧閾値より下がったときはいつでも、燃料電池スタックから引き出される電流を所定の量だけ減少させるステップと、減少した電流に基づいてアノード再循環ループに供給される燃料の燃料流量を減少させて、アノード再循環ループ内のスチーム／カーボン比を所定のスチーム／カーボン比限界より高く保つステップとを含む。
【００１１】
本開示のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様な符号が同様な部品を表す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】アノード再循環ループを有する例示的な燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図２】本開示の実施形態による、アノードが保護された燃料電池システムの概略ブロック図である。
【図３】本開示の実施形態によるＳＣＲモデルの概略図である。
【図４】図３のＳＣＲモデルの式の検証の図である。
【図５】本開示の実施形態による、燃料電池システムのための例示的な停止方法の前半部のフロー図である。
【図６】本開示の実施形態による、燃料電池システムのための例示的な停止方法の後半部のフロー図である。
【図７】本開示の実施ケースによる、燃料電池システムのための停止方法の結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示の実施形態を、添付の図面を参照して本明細書で下記に説明する。以下の説明では、不必要に詳細な記載によって本開示が曖昧となることを避けるために、よく知られた機能または構造は詳細には説明しない。
【００１４】
別途定義していなければ、本明細書で使用する技術用語および科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者が一般的に理解するものと同じ意味を有する。用語「第１の」、「第２の」、「第３の」などは、本明細書で使用するとき、いかなる順序、量、または重要性も示すものではなく、むしろ、１つの要素を別の要素と区別するために使用される。また、用語「１つの（ａ）」および「１つの（ａｎ）」は、数量を限定することを意味するものではなく、むしろ、言及したものが少なくとも１つあることを意味する。用語「または（ｏｒ）」は、包括的であることを意味し、列挙したもののどれか、またはすべてを意味する。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびそれらの変形の本明細書での使用は、その後に列挙するもの、およびそれらの等価物、ならびに追加のものを包含することを意味する。さらに、用語「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的または機械的な接続または結合に限定されず、直接的または間接的のどちらであっても電気的な接続または結合を含むことができる。
アノード再循環ループを有する燃料電池
図１は、例示的な燃料電池システム１００の概略ブロック図を示す。図１に示すように、例示的な燃料電池システム１００は、アノード再循環ループ１１を含む。アノード再循環ループ１１は、電力を発生させるための燃料電池スタック１２を含む。燃料電池スタック１２は、一緒に積み重ねられた複数の燃料電池を含むことができる。これらの燃料電池は、例えば、限定するものではないが、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を含むことができる。実際は、これらの燃料電池は、アノード材料としてニッケル基材料を使用した任意の燃料電池とすることができる。
【００１５】
燃料電池スタック１２は、アノード１２１、カソード１２２、および電解質１２３を含む。燃料電池スタック１２のアノード１２１は、アノード入口１２１１およびアノード出口１２１２を有する。
【００１６】
アノード１２１は、電気を発生させる電気化学反応を支えることができる。燃料は、電解質１２３を通して拡散することによってカソード１２２から受け取った酸素イオンで、アノード１２１内で酸化することができる。この反応は、アノード１２１で、熱、水蒸気、および自由電子の形の電気を発生させ、これは、エネルギー消費装置１８に電力を供給するために使用することができる。酸素イオンは、エネルギー消費装置１８からカソード１２２に戻った電子を使用してカソード酸化剤の酸素を還元することによって生成することができる。
【００１７】
エネルギー消費装置１８は、燃料電池スタック１２から電流を引き出す、または燃料電池スタック１２に電気負荷をかけるように構成される。エネルギー消費装置１８は、限定すべきではないが、工具、照明または照明組立体、器具（家庭用またはその他器具）、家庭用またはその他住居、オフィスまたはその他商業施設、コンピュータ、情報伝達または通信機器などを含むことができる。
【００１８】
カソード１２２は、大気中の酸素などのカソード酸化剤の供給源に結合することができる。カソード酸化剤は、電力を発生する際に燃料電池システム１００によって用いられるカソード１２２に供給される酸化剤として定義される。カソード１２２は、カソード酸化剤から受け取る酸素イオンに対して透過性とすることができる。
【００１９】
電解質１２３は、アノード１２１およびカソード１２２と連通することができる。電解質１２３は、酸素イオンをカソード１２２からアノード１２１に通すことができ、また、電気伝導性はほとんどないか、全くなく、その結果、自由電子がカソード１２２からアノード１２１に通るのを防ぐ。
【００２０】
図１を続けて参照すると、燃料電池システム１００は、燃料をアノード再循環ループ１１に供給するための燃料供給装置１４１、および空気を燃料電池スタック１２のカソード１２２に供給するための空気供給装置１５１を含むことができる。燃料は、例えば、天然ガス、メタン（ＣＨ4）などの炭化水素燃料とすることができる。燃料電池システム１００はさらに、アノード再循環ループ１１に供給される燃料の燃料流量Ｑfuelを測定するための燃料流量計１４２、およびアノード再循環ループ１１に供給される燃料流量Ｑfuelを調整するための燃料流量調整器１４３、ならびにカソード１２２に供給される空気の空気流量Ｑairを測定するための空気流量計１５２、およびカソード１２２に供給される空気流量Ｑairを調整するための空気流量調整器１５３を含むことができる。
【００２１】
燃料中の硫黄などは、終末の燃料改質の段階で使用される触媒を不活性化しやすいが、これらの望ましくない成分を低減または除去するために、燃料電池システム１００はさらに、燃料浄化装置１４４を含むことができる。しかしながら、燃料浄化装置１４４は、例えばメタン（ＣＨ4）などの純粋な燃料に対しては省くことができる。
【００２２】
したがって、アノード再循環ループ１１に供給される燃料は、燃料供給装置１４１によって供給された燃料、または燃料浄化装置１４４によって浄化された燃料を含むことができる。
【００２３】
任意に、燃料電池システム１００はさらに、燃料改質用の水蒸気をアノード再循環ループ１１に供給するための水蒸気供給装置１６１、アノード再循環ループ１１に供給される水蒸気の水蒸気流量Ｑsteamを測定するための水蒸気流量計１６２、およびアノード再循環ループ１１に供給される水蒸気の流量Ｑsteamを調整するための水蒸気流量調整器１６３を含むことができる。
【００２４】
一実施形態では、図１に示すように、アノード再循環ループ１１はさらに、燃料改質器１３を含むことができる。燃料改質器１３は、改質器入口１３１および改質器出口１３２を有する。燃料電池スタック１２のアノード出口１２１２は燃料改質器１３の改質器入口１３１に結合することができ、燃料改質器１３の改質器出口１３２は、燃料電池スタック１２のアノード入口１２１１に戻されて、アノード再循環ループ１１を形成する。
【００２５】
燃料改質器１３は、燃料（または、水蒸気を供給する場合には、燃料と水蒸気の混合物）、および燃料電池スタック１２のアノード出口１２１２からの排ガスを受け取り、改質器出口１３２でリフォーメートを発生させる。リフォーメートは、水素（Ｈ2）リッチガスを含み、また、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、水蒸気（Ｈ2Ｏ）、およびメタン（ＣＨ4）などの燃料スリップを含む場合もある。改質器出口１３２でのリフォーメートの少なくとも一部分（再循環リフォーメートとも呼ばれる）を、アノード入口１２１１に戻すことができ、残りを排出物として排出することができる。
【００２６】
燃料電池システム１００が作動しているとき、燃料、例えば、メタン（ＣＨ4）は、アノード再循環ループ１１、詳細には、この実施形態では、燃料改質器１３の改質器入口１３１に供給され、酸素、例えば、空気中に含まれる酸素は、燃料電池スタック１２のカソード１２２に供給される。燃料改質器１３では、燃料は化学反応によって改質されて水素を発生することができる。例えば、メタン（ＣＨ4）は、以下の燃料改質反応（１）によって一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ2）とに変換され、一酸化炭素と水蒸気（Ｈ2Ｏ）は、以下の水性ガスシフト反応（２）によって二酸化炭素（ＣＯ2）と水素とに変換される。
【００２７】
【数１】
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再循環リフォーメートは、燃料電池スタック１２のアノード入口１２１１に戻される。燃料電池スタック１２のアノード１２１では、再循環されたリフォーメートとカソード１２２からの酸素イオンとが混合され、以下の電気化学反応（３）を通して水蒸気に変換されて電力および熱を発生する。
【００２８】
【数２】
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別の実施形態では、燃料電池スタック１２は、個別の燃料改質器１３を持たずに、内部改質機能を有することができる。そのような環境では、燃料電池スタック１２のアノード出口１２１２をアノード入口１２１１に直接戻して、アノード再循環ループ１１を形成することができる。したがって、燃料電池スタック１２のアノード１２１において、上記の燃料改質反応（１）および水性ガスシフト反応（２）が同様に起こる。
アノードが保護された燃料電池システム
図２は、本開示の実施形態による、アノードが保護された燃料電池システム２００の概略ブロック図を示す。図２に示すように、本開示の実施形態による燃料電池システム２００は、図１の燃料電池システム１００と比べると、電圧監視装置２１をさらに含むことができる。電圧監視装置２１は、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCをリアルタイムで監視することができる。燃料電池システム２００を停止する間、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCは、燃料電池スタック１２の温度の低下、あるいは、燃料電池スタック１２内の交差漏れまたは外部への漏れの悪化によって低下する場合がある。燃料電池システム２００の所定の作動条件では、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCは、燃料電池スタック１２のアノード１２１の健全性の状態の指標とすることができる。燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが所定の電圧閾値Ｖthより下がると、それは燃料電池スタック１２のアノード１２１の酸化を示す。所定の電圧閾値Ｖthは、ある動作マージンをもってニッケル−酸化ニッケル平衡と相互に関係付けることができる。例えば、所定の電圧閾値Ｖthは０．５５Ｖから０．６５Ｖの範囲とすることができる。任意に、所定の電圧閾値Ｖthは０．６３Ｖとすることができる。
【００２９】
したがって、燃料電池スタック１２のアノード１２１が酸化するのを防ぐために、本開示の燃料電池システム２００はさらに、アノード保護制御器２２を含むことができる。電圧監視装置２１は、アノード保護制御器２２と通信可能に接続され、燃料電池スタック１２の監視された電圧ＶFCをアノード保護制御器２２に送信することができる。所定の電圧閾値Ｖthは、前もって、アノード保護制御器２２に保存することができる。アノード保護制御器２２は、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが所定の電圧閾値Ｖthより下がったときはいつでも、燃料電池スタック１２から引き出される電流Ｉを所定の量ΔＩだけ減少させ、その減少した電流に基づいてアノード再循環ループ１１に供給される燃料流量Ｑfuelを減少させて、アノード再循環ループ１１内のスチーム／カーボン比（ＳＣＲ：ｓｔｅａｍ  ｔｏ  ｃａｒｂｏｎ  ｒａｔｉｏ）が所定のスチーム／カーボン比（ＳＣＲ）限界ＳＣＲlimitより高く保つことができる。
【００３０】
所定の量ΔＩは、例えば５Ａとすることができる。アノード再循環ループ１１内のＳＣＲは、改質器入口１３１でのＳＣＲ、またはアノード入口１２１１でのＳＣＲを含むことができる。ＳＣＲは、ガス混合物中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）の含有量とメタン（ＣＨ4）含有量との合計に対するガス混合物中に含まれる水蒸気の含有量の比として定義することができる。所定のＳＣＲ限界ＳＣＲlimitは、前もって、アノード保護制御器２２に保存することができる。所定のＳＣＲ限界ＳＣＲlimitは、所望値または目標値とすることができ、それは、例えば２．５５である。あるいは、所定のＳＣＲ限界ＳＣＲlimitは、所望範囲または目標範囲とすることができ、そのような所定のＳＣＲ限界ＳＣＲlimitの例示的、非限定的な例は、２．１から５．１の範囲を含むことができる。アノード再循環ループ１１内のＳＣＲについてのより詳細は、参照によってその内容を本明細書に援用する中国特許出願第２０１５１０９６２８８１．Ｘ号を参照することができる。
【００３１】
本開示の燃料電池システム２００では、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCを監視することによって、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが所定の電圧閾値Ｖthより下がると、電流Ｉを所定の量ΔＩだけ減少させることによって燃料電池スタック１２の電圧ＶFCを上昇させることができ、その結果、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCを所定の電圧閾値Ｖthより高く保つことができ、その一方、燃料流量Ｑfuelは、それに応じて、減少した電流に基づいて減少され、その結果、アノード再循環ループ１１内のＳＣＲを制御することができる。したがって、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCをリアルタイムで監視し、アノード保護制御器２２で制御することによって、本開示の燃料電池システム２００は、燃料電池スタック１２のアノード１２１を酸化から効果的に保護し、カーボンの析出を防ぐことができる。
【００３２】
アノード１２１内のニッケルの再酸化を防ぐために、アンモニアベースの還元ガスまたは水素シリンダなどの追加のガス供給をなんら使用せず、本開示の燃料電池システム２００が使用するのは、燃料電池スタック１２の通常の運転に使用される既存の燃料供給装置１４１だけとすることができる。本開示の燃料電池システム２００は、設置および運転が経済的となる場合がある。
【００３３】
図２を続けて参照すると、燃料電池システム２００では、燃料流量調整器１４３は、アノード保護制御器２２と通信可能に接続することができる。アノード保護制御器２２は、アノード再循環ループ１１に供給される燃料流量Ｑfuelを調整するように燃料流量調整器１４３を制御することができる。燃料電池システム２００はさらに、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉを測定するための電流センサ２３、および燃料電池スタック１２から引き出される電流Ｉを調整するための電力調整装置２４を含むことができる。例えば、電力調整装置２４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＤＣ−ＡＣインバータ、またはＤＣ−ＤＣコンバータとＤＣ−ＡＣインバータとを組み合わせたものを含むことができる。電流センサ２３および電力調整装置２４は、アノード保護制御器２２と通信可能に接続することができる。電流センサ２３は、燃料電池スタック１２から引き出されて測定された電流Ｉをアノード保護制御器２２に送ることができる。アノード保護制御器２２は、燃料電池スタック１２の監視された電圧ＶFCに応じて、燃料電池スタック１２から引き出される電流Ｉを調整するように電力調整装置２４を制御することができる。
【００３４】
燃料電池スタック１２から引き出される電流Ｉが所定の量ΔＩだけ減少した後、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCはそれに応じて上昇することができる。燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが、所定の電圧閾値Ｖthより高い、または等しいときで、電流Ｉが所定の量ΔＩよりまだ多い場合、アノード保護制御器２２は何も行なわず、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが所定の電圧閾値Ｖthより下がるまで待つだけとすることができる。電流Ｉが所定の量ΔＩより少ない、または等しいとき、アノード保護制御器２２は、電流Ｉをゼロに設定するように電力調整装置２４を制御することができる。
【００３５】
水蒸気供給装置１６１を有する燃料電池システム２００では、水蒸気流量調整器１６３は、アノード保護制御器２２と通信可能に接続することができる。一実施形態では、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが、所定の電圧閾値Ｖthより下がっても、アノード再循環ループ１１に供給される水蒸気流量Ｑsteamを一定に保つことができる。別の実施形態では、水蒸気供給装置１６１が十分な水蒸気を供給することができるならば、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが所定の電圧閾値Ｖthより下がったときはいつでも、アノード保護制御器２２はさらに、アノード再循環ループ１１に供給される水蒸気流量Ｑsteamを増大させるように水蒸気流量調整器１６３を制御することができる。すなわち、アノード再循環ループ１１内のＳＣＲは、燃料流量Ｑfuelを減少させること、および水蒸気流量Ｑsteamを増大させることの両方によって所定のＳＣＲ限界ＳＣＲlimitより上に保つことができる。
【００３６】
燃料電池システム２００はさらに温度センサ２５を含むことができる。温度センサ２５は、アノード保護制御器２２と通信可能に接続することができる。温度センサ２５は、燃料電池スタック１２の温度Ｔstack、ならびにアノード再循環ループ１１内の最低温度Ｔminおよび最高温度Ｔmaxを測定して、測定された温度Ｔstack、Ｔmin、およびＴmaxをアノード保護制御器２２に送信することができる。
【００３７】
図２に戻ると、燃料電池システム２００はさらに、アノード排出弁２６および圧力センサ２７を含むことができる。アノード排出弁２６および圧力センサ２７は、アノード保護制御器２２と通信可能に接続することができる。圧力センサ２７は、アノード１２１内の圧力ＰA、カソード１２２内の圧力ＰCを測定して、測定した圧力ＰA、ＰCをアノード保護制御器２２に送信することができる。アノード保護制御器２２はさらに、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが、所定の電圧閾値Ｖthより下がっても、アノード１２１とカソード１２２との間の差圧を所定の圧力範囲に保つように、アノード排出弁２６を制御することができる。例えば、所定の圧力範囲は、３ｋｐａより上とすることができる。
【００３８】
図２を参照すると、アノード保護制御器２２は、スチーム／カーボン比（ＳＣＲ）モデル２２０を含むことができる。アノード保護制御器２２は、減少した電流にしたがって、ＳＣＲモデル２２０から、減少させる燃料流量の指令を決定して、燃料流量調整器１４３を制御して燃料流量Ｑfuelを、減少させる燃料流量の指令に応じて減少させることができる。ＳＣＲモデル２２０は、ルックアップテーブル、線形方程式、非線形方程式、コンピュータシミュレーションツールキットなどとすることができる。
【００３９】
ＳＣＲモデル２２０は、アノード再循環ループ１１に供給される燃料流量Ｑfuel、アノード再循環ループ１１に供給される水蒸気流量Ｑsteam、燃料電池スタック１２から引き出される電流Ｉ、および燃料電池スタック１２の温度Ｔstackからアノード再循環ループ１１内のＳＣＲのマップを作るための関係を定めることができる。図３を参照すると、ＳＣＲモデル２２０では、アノード再循環ループ１１に供給される水蒸気流量Ｑsteam、燃料電池スタック１２から引き出される電流Ｉ、および燃料電池スタック１２の温度Ｔstack、およびアノード再循環ループ１１内のＳＣＲをＳＣＲモデル２２０の入力変数として使用することができ、アノード再循環ループ１１に供給される燃料流量ＱfuelをＳＣＲモデル２２０の出力変数として使用することができる。この実施形態では、ＳＣＲモデル２２０は、水蒸気流量計１６２から測定された水蒸気流量Ｑsteam、電流センサ２３から測定された減少した電流、温度センサ２５から測定された燃料電池スタック１２の温度Ｔstack、および所定のＳＣＲ限界ＳＣＲlimitを受け取って、減少させる燃料流量の指令を出力することができる。
ＳＣＲモデル予測
以下、ＳＣＲモデル２２０におけるパラメータの関係の予測は、燃料の実例としてメタン（ＣＨ4）を取り上げ、かつ燃料電池スタック１２の数が４つである状態において、図４を併せて参照して詳細に与えられる。
【００４０】
第１のケースでは、燃料電池スタック１２の温度Ｔstack＜５００℃の場合、ＳＣＲモデル２２０内のスチーム／カーボン比（ＳＣＲ）の式は以下のように得られる。
【００４１】
【数３】
2018139207.tif 000005
上の式（４）において、ＳＣＲは、アノード再循環ループ１１内のスチーム／カーボン比を表し、
【００４２】
【数４】
2018139207.tif 000006
は、単位が分当たりのグラム（ｇ／ｍｉｎ）のアノード再循環ループ１１に供給された水蒸気流量を表し、
【００４３】
【数５】
2018139207.tif 000007
は、単位が分当たりの標準リットル（ｓｌｐｍ）のアノード再循環ループ１１に供給されたメタン流量を表し、ｅｐｓは、式（４）の分母がゼロになるのを避けるための非常に小さな値、例えば０．０００１を表す。
【００４４】
第２のケースでは、燃料電池スタック１２の温度Ｔstack＞５００℃の場合で、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉ＝０、かつアノード再循環ループ１１に供給された水蒸気流量
【００４５】
【数６】
2018139207.tif 000008
の場合、ＳＣＲモデル２２０内のスチーム／カーボン比（ＳＣＲ）の式は以下のように得られる。
【００４６】
【数７】
2018139207.tif 000009
第３のケースでは、燃料電池スタック１２の温度Ｔstack＞５００℃の場合で、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉ＞０、かつアノード再循環ループ１１に供給された水蒸気流量
【００４７】
【数８】
2018139207.tif 000010
の場合、ＳＣＲモデル２２０内のスチーム／カーボン比（ＳＣＲ）の式は以下のように得られる。
【００４８】
【数９】
2018139207.tif 000011
上の式（６）〜（８）において、ＵＦsysは、燃料電池システム２００での燃料利用率を表し、Ｉiは、ｉ番目の燃料電池スタックから引き出された電流を表し、Ｎiは、ｉ番目の燃料電池スタック内の燃料電池の数を表し、Ｆは、ファラディー定数を表す。
【００４９】
第４のケースでは、燃料電池スタック１２の温度Ｔstack＞５００℃の場合で、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉ＞０、かつアノード再循環ループ１１に供給された水蒸気流量
【００５０】
【数１０】
2018139207.tif 000012
の場合、ＳＣＲモデル２２０内のスチーム／カーボン比（ＳＣＲ）の式は以下のように得られる。
【００５１】
【数１１】
2018139207.tif 000013
このように、アノード再循環ループ１１に供給された水蒸気流量
【００５２】
【数１２】
2018139207.tif 000014
、すべての燃料電池スタック１２から引き出された減少した電流、および燃料電池スタック１２の温度Ｔstackが測定され、かつ、ＳＣＲ限界ＳＣＲlimitが予め決められている限り、減少させる燃料流量の指令は上の式にしたがって容易に決定することができる。
【００５３】
図４の２つの点線を参照すると、上の式の有効度は、高忠実度の第１原理コンピュータモデルに対する比較試験によって示すことができる。図４において、１つの点線は、ケース１〜４に対する高忠実度の第１原理コンピュータモデルからシミュレートされたアノード再循環ループ１１内のＳＣＲを表し、他の点線は、ケース１〜４に対する上の式（４）〜（９）から予測されたアノード再循環ループ１１内のＳＣＲを表す。比較結果は、上の式（４）〜（９）からの予測が、ケース１〜４に対する高忠実度の第１原理コンピュータモデルからのシミュレーションとよく一致する場合があることを示していることが図４から分かる。
【００５４】
上の式は、燃料としてＣＨ4を使って多くの試験データを通じて得られたものであるが、他の燃料に対しては、上の式においてパラメータの一部分のみを修正しなければならないが、ＳＣＲモデル２２０の全体的な枠組みはそのまま保たれる。したがって、ＳＣＲモデル２２０は、以下の一般的なパラメータの関係を少なくとも含むことができると結論付けることができる。
【００５５】
燃料電池スタック１２の温度Ｔstackが所定の温度より低いとき、ＳＣＲモデル２２０のアノード再循環ループ１１内のＳＣＲは、アノード再循環ループ１１に供給された燃料流量Ｑfuelおよびアノード再循環ループ１１に供給された水蒸気流量Ｑsteamと関係している。
【００５６】
燃料電池スタック１２の温度Ｔstackが所定の温度より高いときで、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉがゼロで、アノード再循環ループ１１に供給された水蒸気流量Ｑsteamがゼロより多い場合、ＳＣＲモデル２２０のアノード再循環ループ１１内のＳＣＲは、アノード再循環ループ１１に供給された燃料流量Ｑfuel、アノード再循環ループ１１に供給された水蒸気流量Ｑsteam、および燃料電池スタック１２の温度Ｔstackと関係している。
【００５７】
燃料電池スタック１２の温度Ｔstackが所定の温度より高いときで、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉがゼロより多く、アノード再循環ループ１１に供給された水蒸気流量Ｑsteamがゼロより多い場合、ＳＣＲモデル２２０のアノード再循環ループ１１内のＳＣＲは、アノード再循環ループ１１に供給された燃料流量Ｑfuel、アノード再循環ループ１１に供給された水蒸気流量Ｑsteam、および燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉと関係している。
【００５８】
燃料電池スタック１２の温度Ｔstackが所定の温度より高いときで、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉがゼロより多く、アノード再循環ループ１１に供給された水蒸気流量Ｑsteamがゼロの場合、ＳＣＲモデル２２０のアノード再循環ループ１１内のＳＣＲは、アノード再循環ループ１１に供給された燃料流量Ｑfuelおよび燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉと関係している。
燃料電池システムのための停止方法
図５は、本開示の実施形態による、燃料電池システム２００のための停止方法の前半部のフロー図を示す。図５に示すように、ブロックＢ５１において、燃料電池システム２００の運転中、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCは、例えば、電圧監視装置２１を使ってリアルタイムで監視することができる。燃料電池スタック１２の電圧ＶFCは、燃料電池スタック１２のアノード１２１の健全性の状態を示すことができる。
【００５９】
燃料電池スタック１２のアノード１２１の酸化が起こっていることを意味する、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが所定の電圧閾値Ｖthより下がったときは、プロセスはブロックＢ５２に進むことができる。所定の電圧閾値Ｖthは、ある動作マージンをもってニッケル−酸化ニッケル平衡点と相互に関係付けることができる。例えば、所定の電圧閾値Ｖthは０．５５Ｖから０．６５Ｖの範囲とすることができる。
【００６０】
燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが、所定の電圧閾値Ｖthより下がっても、燃料電池スタック１２のカソード１２２に供給される空気の空気流量Ｑairを一定に保つことができる。
【００６１】
ブロックＢ５２において、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉを、所定の量、例えば５Ａだけ減少させることができ、次いで、プロセスはブロックＢ５３に進むことができる。
【００６２】
ブロックＢ５３において、アノード再循環ループ１１に供給される燃料の燃料流量Ｑfuelは、それに応じて、減少した電流に基づいて減少することができ、アノード再循環ループ１１内のスチーム／カーボン比を所定のスチーム／カーボン比（ＳＣＲ）限界ＳＣＲlimitより高く保つことができる。所定のＳＣＲ限界ＳＣＲlimitは２：１から５：１の間とすることができる。例えば、所定のＳＣＲ限界ＳＣＲlimitは２．５５とすることができる。
【００６３】
一例として、ブロックＢ５４では、スチーム／カーボン比（ＳＣＲ）モデル２２０を前もって事前確立することができる。ＳＣＲモデル２２０は、アノード再循環ループ１１に供給される燃料流量Ｑfuel、アノード再循環ループ１１に供給される水蒸気流量Ｑsteam、燃料電池スタック１２から引き出される電流Ｉ、および燃料電池スタック１２の温度Ｔstackから、アノード再循環ループ１１内のＳＣＲのマップ作るための関係を定めることができる。ブロックＢ５３において、減少させる燃料流量の指令は、まず、減少させる電流にしたがってブロックＢ５４のＳＣＲモデル２２０から決定することができ、次いで、それに応じて、燃料流量Ｑfuelは、減少させる燃料流量の指令にしたがって調整することができる。
【００６４】
燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが、所定の電圧閾値Ｖthより下がったときでも、アノード再循環ループ１１に供給される水蒸気流量Ｑsteamを一定に保つことができる。十分な水蒸気が供給される任意の実施形態では、アノード再循環ループ１１に供給される水蒸気流量Ｑsteamもまた増大させることができる。この環境では、ブロック５３は、燃料流量Ｑfuelを減少させること、および水蒸気流量Ｑsteamを増大させることの両方によって、アノード再循環ループ１１内のＳＣＲを所定のＳＣＲ限界ＳＣＲlimitより高く保つことができる。
【００６５】
さらに、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが、所定の電圧閾値Ｖthより下がったときでも、アノード１２１とカソード１２２との間の差圧を所定の圧力範囲に、例えば、３ｋｐａより高く保つことができる。
【００６６】
燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉが所定の量ΔＩだけ減少した後、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCはそれに応じて増大することができ、次いで、プロセスはブロックＢ５５に進んで、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが所定の電圧閾値Ｖthよりまだ下かどうかを判定することができる。判定が肯定であれば、プロセスはＢ５２に戻ることができる。すなわち、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが所定の電圧閾値Ｖthよりまだ下のとき、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが所定の電圧閾値Ｖthより高くなるか、等しくなるまでブロックＢ５２およびＢ５３を繰り返すことができる。ブロックＢ５５での判定が否定であれば、プロセスはブロックＢ５６に進むことができる。
【００６７】
ブロックＢ５６は、燃料電池スタック１２から引き出された電流Ｉが所定の量ΔＩ以下かどうかを判定することができる。電流Ｉがまだ所定の量ΔＩより多いとき、プロセスはブロックＢ５５に戻って、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが所定の電圧閾値Ｖthより下がるまで待ち続けることができる。電流Ｉが所定の量ΔＩ以下のとき、プロセスはブロックＢ５７に進むことができる。
【００６８】
ブロックＢ５７において、燃料電池スタック１２から引き出される電流Ｉを、すぐにゼロに設定することができる。
【００６９】
図６は、本開示の実施形態による、燃料電池システム２００のための停止方法の後半部のフロー図を示す。以下、図６を参照して、電流Ｉをゼロに減少させた後に続く燃料電池システム２００の停止操作を詳細に説明する。
【００７０】
図６のブロックＢ６１において、アノード再循環ループ１１に供給される燃料流量Ｑfuelを、アノード再循環ループ１１に供給される水蒸気流量Ｑsteamの５％に設定することができ、次いで、プロセスはブロックＢ６２に進むことができる。
【００７１】
ブロックＢ６２は、アノード再循環ループ１１内で測定された最低温度Ｔminが１５０℃より低いかどうかを判定することができる。判定結果が肯定であれば、プロセスはＢ６３に進むことができる。判定結果が否定であれば、プロセスはブロックＢ６２に戻って、アノード再循環ループ１１の最低温度Ｔminが１５０℃より低くなるまで待ち続けることができる。
【００７２】
ブロックＢ６３において、アノード再循環ループ１１に供給される燃料流量Ｑfuelおよび水蒸気流量Ｑsteamを止めることができ、次いで、プロセスはブロックＢ６４に進むことができる。
【００７３】
ブロックＢ６４において、アノード再循環ループ１１は、安全ガス、例えば、窒素（Ｎ2）を用いてパージすることができ、次いで、プロセスはブロックＢ６５に進むことができる。
【００７４】
ブロックＢ６５は、アノード再循環ループ１１内で測定された最高温度Ｔmaxが５０℃より低いかどうかを判定することができる。判定結果が否定であれば、プロセスはブロックＢ６５に戻って、アノード再循環ループ１１で測定された最高温度Ｔmaxが５０℃より低くなるまで待ち続けることができる。アノード再循環ループ１１で測定された最高温度Ｔmaxが５０℃より低いときは、プロセスはＢ６６に進むことができる。
【００７５】
ブロックＢ６６において、燃料電池スタック１２のカソード１２２に供給される空気流量Ｑairを止めることができ、燃料電池システム２００はオフライン状態となる。
【００７６】
図７は、本開示の実施ケースによる停止方法の結果を示した図である。図７において、Ｘ軸は時間の単位、Ｙ軸は様々な曲線１〜５に対する様々な単位である。曲線１は、ｓｌｐｍ（分当たりの標準リットル）の単位のアノード再循環ループに供給される水蒸気流量を表す。この実施ケースでは、水蒸気流量は、水蒸気ラインのパイプの詰まりによって制限されており、停止過程中、水蒸気流量を増大させることができないことを意味する。曲線２は、ｓｌｐｍの単位のアノード再循環ループに供給された天然ガス（ＮＧ）流量を表し、図７では、図に表示するために、ＮＧ流量の半分を意味する「ＮＧ流量／２」がＮＧ流量曲線を示すために使用されている。曲線３は、アンペアの単位の燃料電池スタックから引き出された電流を表す。曲線４は、摂氏の単位の燃料電池スタックの温度を表し、図７では、図に表示するために、燃料電池スタックの温度の読みの１／１０を意味する「スタックＴ／１０」が燃料電池スタックの温度曲線を示すために使用されている。曲線５は、ボルトの単位の燃料電池スタックの電圧を表し、図７では、図に表示するために、燃料電池スタックの電圧の１００倍を意味する「セルＶ＊１００」が燃料電池スタックの電圧曲線を示すために使用されている。
【００７７】
図７に示すように、時刻ｔ0から時刻ｔ1まで、水蒸気流量は、燃料電池システムの水蒸気発生システムの不具合によって一定のままである。この状況では、燃料電池スタックの電圧が、所定の電圧閾値、例えば、この実施ケースでは０．６５Ｖより下がると、燃料電池スタックから引き出される電流は逓減する。電流の減少とともに、燃料電池スタックの電圧は上昇する。燃料電池スタックのアノード内でのカーボンの析出を防ぐために、電流の減少に続いてＮＧ流量がこれに応じて減少して、アノード再循環ループ内のＳＣＲを所定のＳＣＲ限界、例えば、この実施ケースでは２．５より大きく保つ。電流およびＮＧ流量が下がるにつれて、燃料電池スタックの温度が徐々に下がる。時刻がｔ1になると、ＮＧ流量は既定の最小ＮＧ流量を保持して、アノード室の還元環境を保つ。時刻ｔ2で、燃料電池スタックから引き出される電流が所定の量、例えば、この実施ケースでは５Ａ以下になると、電流はすぐにゼロに設定される。
【００７８】
本開示の停止方法は、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCをリアルタイムで監視することができ、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCが、所定の電圧閾値Ｖthより下がったときはいつでも、燃料電池スタック１２から引き出される電流Ｉを所定の量ΔＩだけ減少させて、燃料電池スタック１２の電圧ＶFCを所定の電圧閾値Ｖthより高く保ち、それに応じて、減少した電流に基づいて燃料流量Ｑfuelを減少させて、アノード再循環ループ１１内のＳＣＲを制御することができる。本開示の停止方法は、停止する間、燃料電池スタック１２のアノード１２１を酸化から効果的に保護し、カーボンの析出を防ぐことができ、かつ、いかなる追加の還元ガスも供給することなく燃料電池システム２００の運転コストを下げることができる。
【００７９】
本開示の実施形態による燃料電池システム２００のための停止方法のステップが機能ブロックとして示されているが、図５および６に示した様々なブロックの間でのブロックの順序およびのステップの分離は、限定することを意図したものではない。例えば、ブロックは異なる順序で実施することができ、１つのブロックに関連するステップを、１つまたは複数の他のブロックと組み合わせることができ、あるいは、いくつかのブロックに細分化することができる。
【００８０】
典型的な実施形態で本開示を例示および説明してきたが、本開示の精神から決して逸脱することなく様々な変更および置換が可能であるので、本開示は、示された詳細に限定されることを意図するものではない。したがって、当業者であれば、通常の実験のみを用いて、開示された本明細書中の開示のさらなる変更形態および均等形態を想到することができ、そのような変更形態および均等形態はすべて、以下の特許請求の範囲によって規定される本開示の精神および範囲の内であると考えられる。
【符号の説明】
【００８１】
１１  アノード再循環ループ
１２  燃料電池スタック
１３  燃料改質器
１８  エネルギー消費装置
２１  電圧監視装置
２２  アノード保護制御器
２３  電流センサ
２４  電力調整装置
２５  温度センサ
２６  アノード排出弁
２７  圧力センサ
１００  燃料電池システム
１２１  アノード
１２２  カソード
１２３  電解質
１３１  改質器入口
１３２  改質器出口
１４１  燃料供給装置
１４２  燃料流量計
１４３  燃料流量調整器
１４４  燃料浄化装置
１５１  空気供給装置
１５２  空気流量計
１５３  空気流量調整器
１６１  水蒸気供給装置
１６２  水蒸気流量計
１６３  水蒸気流量調整器
２００  燃料電池システム
２２０  スチーム／カーボン比モデル
１２１１  アノード入口
１２１２  アノード出口
Ｉ  料電池スタックから引き出される電流
ＰA  アノード内の圧力
ＰC  カソード内の圧力
Ｑair  空気流量
Ｑfuel  燃料流量
Ｑsteam  水蒸気流量
ＳＣＲ  スチーム／カーボン比
ＳＣＲlimit  スチーム／カーボン比限界
Ｔmax  アノード再循環ループの最高温度
Ｔmin  アノード再循環ループの最低温度
Ｔstack  燃料電池スタックの温度
ＶFC  燃料電池スタックの電圧
Ｖth  電圧閾値
ΔＩ  電流
【図１】
2018139207.tif 000015
【図２】
2018139207.tif 000016
【図３】
2018139207.tif 000017
【図４】
2018139207.tif 000018
【図５】
2018139207.tif 000019
【図６】
2018139207.tif 000020
【図７】
2018139207.tif 000021
【外国語明細書】
2018139207000001.pdf