(57)【要約】【課題】  改質器を燃料ガス供給手段とする燃料電池発電システムにおいて、停止保管時の電極触媒の劣化を防止するとともに改質器の異常温度上昇を抑え、信頼性の高い燃料電池発電システムの制御方法を得る。【解決手段】  燃料電池スタック１を停止保管する時に、酸化剤ガスの供給を停止するために酸化剤ガス調整手段１３ａを制御する第１の制御信号と、原燃料の供給量を低減するために原燃料調整手段８ａを制御する第２の制御信号と、燃料オフガスの逆流防止判断基準に基づいて、燃料オフガス排気経路を遮断するために燃料オフガス調整手段１１ａを制御する第３の制御信号と、燃料ガス供給経路を遮断するために燃料ガス調整手段１０ａを制御する第４の制御信号とを順次送信し、さらに遅くとも第４の制御信号を送信するまでに酸化剤オフガス排気経路を遮断するために酸化剤オフガス調整手段１４ａを制御する制御信号を送信する制御手段を備えたものである。【選択図】  図１
2007109529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極と出力端子とを備え、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることで前記出力端子から電気出力が取り出される燃料電池スタックと、
当該燃料電池スタックに供給する水素含有ガスである前記燃料ガスを原燃料から改質生成し、前記燃料極から排気される燃料オフガスの燃焼エネルギーを前記原燃料の改質に利用するための前期燃料オフガスの燃焼バーナを有する改質器と、
当該改質器から前記燃料極に前記燃料ガスを導く燃料ガス供給経路と、
当該燃料ガス供給経路の流通を制御する燃料ガス調整手段と、
前記燃料極から前記燃焼バーナに前記燃料オフガスを導く燃料オフガス排気経路と、
当該燃料オフガス排気経路の流通を制御する燃料オフガス調整手段と、
前記改質器に前記原燃料を供給する原燃料供給手段と、
前記原燃料の供給量を制御する原燃料調整手段と、
前期酸化剤極に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
当該酸化剤ガス供給手段から前記酸化剤極に酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給経路と、
当該酸化剤ガス供給経路の流通を制御する酸化剤ガス調整手段と、
前記酸化剤極から排気される酸化剤オフガスを導く酸化剤オフガス排気経路と、
当該酸化剤オフガス排気経路の流通を制御する酸化剤オフガス調整手段と、
前記出力端子に接続され取り出された電気出力を消費する負荷装置と、
前記燃料ガス調整手段、前記燃料オフガス調整手段、前記原燃料調整手段、前記酸化剤ガス調整手段、前記酸化剤オフガス調整手段および前記負荷装置を制御する制御手段とを備えた燃料電池発電システムの制御方法であって、
前記制御手段は、発電状態の前記燃料電池発電システムを停止する時に、前記酸化剤ガス供給経路の流通を遮断するための前記酸化剤調整手段を制御する第１の制御信号を送出し、当該第１の制御信号を送出後に前記原燃料の前記改質器への供給量を低減するための前記原燃料調整手段を制御する第２の制御信号を送出し、前記燃焼バーナから前記燃料極へ前記燃料オフガス排気経路を逆流する流れを防止するため予め定めた逆流防止判断基準が成立した時点で前記燃料オフガス排気経路の流通を遮断するための前記燃料オフガス調整手段を制御する第３の制御信号を送出し、当該第３の制御信号の送出以降に前記燃料ガス供給経路の流通を遮断するための前記燃料ガス調整手段を制御する第４の制御信号を送出し、前記第１の制御信号送出以降前記第４の制御信号を送出するまでに前記酸化剤オフガス排気経路の流通を遮断するための前記酸化剤オフガス調整手段を制御する酸化剤オフガス排気経路遮断信号を送出すること
を特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
制御手段は、予め取得した酸化剤極への酸化剤ガスの供給停止後に燃料極で必要となる燃料ガス量を改質器で生成するのに必要な原燃料量を前記改質器に供給するように原燃料調整手段を制御する制御信号を第２の制御信号として送出することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
制御手段は、予め定めた原燃料停止判断基準が成立した時点以降に第２の制御信号として改質器への原燃料の供給を停止させるための原燃料調整手段への制御信号を送出することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
酸化剤極と酸化剤ガス調整手段との間の酸化剤ガス供給経路に一端が接続され、他端が不活性ガス供給手段に接続された不活性ガス供給経路と、
当該不活性ガス供給経路の流通を制御する不活性ガス調整手段とを備え、
制御手段は、第１の制御信号の送出と共に、前記酸化剤極に不活性ガスを流通させ前記酸化剤極を前記不活性ガスで置換するために前記不活性ガス供給経路を流通させるための前記不活性ガス調整手段を制御する不活性ガスパージ開始信号を送出し、第３の制御信号を送出する前に前記酸化剤極の前記不活性ガスの流通を停止するために前記不活性ガス供給経路の流通を遮断するための前記不活性ガス調整手段を制御する不活性ガスパージ停止信号を送出することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
制御手段は、燃料極あるいは燃料ガス供給経路あるいは燃料オフガス排気経路のいずれかのガス圧を測定するガス圧測定手段を備え、前記制御手段は、前記ガス圧測定手段の測定ガス圧が所定の値になった時点を逆流防止判断基準が成立した時点とすることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
制御手段は、経過時間測定手段を備え、前記制御手段は、第２の信号を送出すると共に前記経過時間測定手段を発動し、前記経過時間測定手段の測定時間が所定の値になった時点を逆流防止判断基準が成立した時点とすることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
制御手段は、酸化剤極のガス圧力測定手段を備え、前記制御手段は、前記第１の信号送出後に前記ガス圧力測定手段の測定圧力が所定の値を超えたのちに負荷装置を停止するための負荷装置停止信号を前記負荷装置に送出し、前記ガス圧力測定手段の測定圧力が所定の値以下になれば前記負荷装置を動作させるための負荷装置動作信号を前記負荷装置に送出することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項８】
請求項項３に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
制御手段は、燃料電池スタックの電気特性測定手段を備え、前記制御手段は、第１の制御信号を送出後、前記電気特性測定手段の測定電圧あるいは測定電流が所定の値になった時点を原燃料停止判断基準が成立した時点とすることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項９】
請求項３に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
制御手段は、経過時間測定手段を備え、前記制御手段は、第１の制御信号を送出すると共に前記経過時間測定手段を発動し、前記経過時間測定手段の測定時間が所定の値になった時点を原燃料停止判断基準が成立した時点とすることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、抵抗負荷と当該抵抗負荷を燃料電池スタックの出力端子に接続する電気的開閉手段から成る保管抵抗装置を備え、かつ制御手段は、前記保管抵抗装置を前記出力端子に接続あるいは遮断する制御機能を備え、
前記制御手段は、発電状態の前記燃料電池発電システムを停止する時に、前記燃料電池スタックの電気出力の出力先を前記負荷装置から前記保管抵抗装置に切り替えるための信号を前記負荷装置および前記保管抵抗装置に送出し、前記燃料電池スタックの出力端子が前記保管抵抗装置の抵抗負荷に接続された状態で保管されることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１１】
請求項３に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
制御手段は経過時間測定手段を備え、
前記制御手段が第２の制御信号を送出してから逆流防止判断基準が成立するまでの時間Ｔ１、および第１の制御信号を送出してから燃料電池スタックの出力電圧あるいは出力電流が第２の所定値になるまでの時間Ｔ２あるいは酸化剤極の水素濃度が所定値に達するまでの時間Ｔ２を予め取得しておき、前記制御手段は、前記第１の制御信号を送出すると共に前記経過時間測定手段を発動し、前記経過時間測定手段の測定時間が（Ｔ２−Ｔ１）となった時点を原燃料停止判断基準が成立した時点とすることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１２】
請求項４に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
制御手段は経過時間測定手段を備え、
前記制御手段が第２の制御信号を送出してから逆流防止判断基準が成立するまでの時間Ｔ１、および第１の制御信号を送出してから燃料電池スタックの出力電圧あるいは出力電流が第３の所定値になるまでの時間Ｔ２あるいは前記第１の制御信号を送出してから酸化剤極に流入する不活性ガス流量が前記酸化剤極容積に達するまでの時間Ｔ３を予め取得しておき、前記制御手段は、前記第１の制御信号を送出すると共に前記経過時間測定手段を発動し、前記経過時間測定手段の測定時間が（Ｔ３−Ｔ１）となった時点を原燃料停止判断基準が成立した時点とすることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
制御手段は燃料極と酸化剤極との水素濃度の平衡検出手段を備え、前記制御手段は第１の制御信号を送出後に前記水素濃度平衡検出手段により前記燃料極水素濃度と前記酸化剤極水素濃度とが等しくなった時点以降に酸化剤オフガス排気経路遮断信号を送出することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１４】
請求項４に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
制御手段は経過時間測定手段を備え、
前記制御手段が不活性ガスパージ停止信号を送出後に燃料極と酸化剤極の水素濃度がほぼ等しくなった以降に前記制御手段が酸化剤オフガス排気経路遮断信号を送出することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１５】
請求項４に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
制御手段は、不活性ガスパージ開始信号を送出するまでに負荷装置を停止するための負荷装置停止信号を前記負荷装置に送出し、不活性ガスパージ停止信号を送出後に前記負荷装置を起動するための負荷装置起動信号を前記負荷装置に送出することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
燃料電池スタックの出力端子を電気的に短絡せしめる電気的開閉手段と短絡導体からなる短絡回路を備え、制御手段は前記短絡回路を制御する機能を備えており、
前記制御手段は、発電状態の前記燃料電池発電システムを停止する時に、前記燃料電池スタックの電気出力の出力先を負荷装置から前記短絡回路に切り替える切替信号を前記負荷装置と前記短絡回路とに送出し、前記燃料電池スタックの出力端子が前記短絡導体に接続された状態で保管されることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１７】
請求項４記載の燃料電池発電システムの制御方法において、
燃料電池スタックの出力端子を電気的に短絡せしめる電気的開閉手段と短絡導体からなる短絡回路を備え、制御手段は前記短絡回路を制御する機能を備えており、
前記制御手段は発電状態の前記燃料電池発電システムを停止する時に、前記不活性ガスパージ停止信号を送出後に前記燃料電池スタックの電気出力の出力先を負荷装置から前記短絡回路に切り替える切替信号を前記負荷装置と前記短絡回路に送出し、前記燃料電池発電システムが停止した後において前記燃料電池スタックの出力端子が前記短絡導体に接続された状態で保管されることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子形の燃料電池発電システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形の燃料電池は、固体高分子膜を電解質膜として用いた燃料電池であり、燃料極と酸化剤極とで電解質膜を挟んで一つの電池が構成されている。燃料極に燃料ガスである水素もしくは水素含有ガス、酸化剤極に酸化剤ガスである酸素もしくは酸素含有ガス（通常空気）を供給し、水素と酸素との反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出す装置である。それぞれの電極の電解質膜に接する面には、炭素に白金微粒子などを担持した触媒が配置されており、この触媒で次式に示すような電極反応が起こる。燃料極においては、水素は電子と水素イオンとに分離され、分離された電子は外部回路を経由して、水素イオンは電解質膜を経由して酸化剤極に移動し、酸素と反応する。
【０００３】
燃料極反応    Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−                        （１）
酸化剤極反応  １／２Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ        （２）
一つの電池（単電池）の起電力は約１Ｖと低いので、実用的には単電池を複数直列接続し、各単電池へ燃料ガスと酸化剤ガスを一括供給できる構造にした燃料電池スタックが用いられる。燃料電池発電システムでは燃料電池本体である燃料電池スタックと、スタックの燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する例えば空気ブロアなどの酸化剤ガス供給手段と、スタックの動作温度を制御する冷却装置と、スタックの電気出力を外部負荷に供給できる形に変換する電力変換器と、それらの装置を制御する制御装置とから構成されている。
【０００４】
このような燃料電池発電システムの運転において、起動と停止とを繰り返すと、燃料電池スタックの性能が劣化することが知られている。この原因として、停止保管時に酸化剤極内に残留する酸素による酸化剤極の触媒の酸化劣化や触媒を構成する白金微粒子の凝集が考えられている。
【０００５】
このような酸化剤極の触媒の劣化を防ぐために、停止操作時に燃料極への燃料ガスの供給を継続した状態で酸化剤極への酸化剤ガスの供給を停止し、酸化剤極内の酸素を消費除去した後に燃料ガスの供給を停止し、次いで還元性ガスである水素ガスで酸化剤極をパージして、燃料極および酸化剤極を水素含有ガスで満たして密閉して停止保管する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−９３４４８号公報（５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような停止保管を行う燃料電池発電システムにおいて、発電中のシステムを停止するには、燃料ガスを供給状態で酸化剤ガスの供給を停止し燃料電池スタックを発電状態すなわち負荷に接続した状態で酸化剤極の残留酸素を消費除去する必要がある。この残留酸素の消費除去は発電時と同じ電極反応によって行われる。酸化剤極の残留酸素が消費され、酸素濃度が下がるにつれ起電力はほとんど０Ｖまで下がり、残留酸素がほとんど除去されると、次式に示すような電気化学反応が起き、酸化剤極に水素が発生する。この時の起電力は非常に小さく燃料極と酸化剤極の水素分圧差による水素濃淡電池起電力となる。
【０００８】
燃料極反応    Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−                        （３）
酸化剤極反応    ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２                        （４）
酸化剤極での残留酸素の消費除去時あるいは水素発生時に、燃料極の水素が消費され、燃料極で水素が欠乏した状態になると、次式に示す反応などが燃料極で起こり、燃料極の触媒を構成する炭素が消費され触媒が酸化劣化する。
【０００９】
Ｃ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ２Ｈ＋  ＋  ＣＯ  ＋  ２ｅ−    （５）
したがって、停止時における酸化剤極での残留酸素の消費除去時および水素発生時には、燃料極に燃料ガス供給を継続して燃料極で燃料（水素）ガスの欠乏を起こさないようにする必要がある。
【００１０】
燃料電池発電システムの燃料ガス供給手段は、都市ガスや灯油などのエネルギー原料に水を混合させた原燃料を改質触媒により改質して水素含有ガスを生成する改質器が一般的である。改質器の作動には、７００℃程度の温度と原燃料を改質するためのエネルギーが必要で、このエネルギーには、燃料ガスが燃料電池スタックに供給されたのち排気される燃料ガスの排気ガス（燃料オフガス）の燃焼エネルギーを利用しており、原燃料の流量（改質に必要となるエネルギー）と改質器からの放熱と燃料オフガスの流量（燃焼エネルギー）とをバランスさせて、改質器を作動温度に維持している。
【００１１】
一般的に、燃料電池システムでは、燃料電池スタックに供給された燃料ガス中の水素成分の約８０％が発電反応で消費され、残りの約２０％の水素成分を含んだ燃料ガスが燃料オフガスとして改質器の燃焼バーナに供給され、改質器の熱バランスが保たれている。なお、燃料電池スタックに供給された酸化剤ガスも酸素成分の約４０％が発電で消費され、残りの約６０％の酸素成分を含んだ酸化剤ガスが排気ガス（酸化剤オフガス）として外部へ排気される。
【００１２】
このような改質器を燃料ガス供給手段とする燃料電池発電システムにおいて、起動停止に伴う触媒劣化を防ぐ従来の停止保管方法を適用した場合、次に述べるような改質器の異常温度上昇が起こるという問題があった。停止時の動作において、酸化剤極への酸化剤ガスの供給の停止に伴って発電電圧は低下し、燃料電池スタックでは、（１）式および（２）式に示す反応が起こりにくくなる。その結果、燃料電池スタックで消費される燃料ガスは減少し、改質器の燃焼バーナに供給される燃料オフガスの流量（エネルギー）が増加する。燃料オフガスの流量の増大が短時間であれば改質器の温度変化は僅かで済むが、少なくとも酸化剤極の酸素を消費するまでは燃料極に燃料ガスの供給を継続しなければならないため、長時間過大な燃料オフガスが改質器の燃焼バーナに供給されると、改質器の異常温度上昇が起こるという問題があった。一方、改質器の異常温度上昇を防ぐために、燃料オフガスの供給を停止して燃焼バーナの燃焼を止めることにより改質器をすぐに停止すると、改質器から燃料極への燃料ガスの供給が停止するため、酸化剤極の酸素の消費除去や酸化剤極での水素発生のために燃料極の水素が消費されると燃料極で水素の欠乏が起こり（５）の反応により燃料極の触媒が劣化するという問題があった。
【００１３】
つまり、改質器を燃料ガス供給手段とする燃料電池発電システムに起動停止に伴う酸化剤極の触媒劣化を防ぐ従来の停止保管方法を適用した場合、燃料極電極の触媒の劣化防止と改質器の異常温度上昇の防止とを両立できないと言う問題があった。
【００１４】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、改質器を燃料ガス供給手段とする燃料電池発電システムにおいて、停止保管時の電極触媒の劣化を防止するとともに改質器の異常温度上昇を抑え、信頼性の高い燃料電池発電システムの制御方法を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明に係る燃料電池発電システムの制御方法においては、発電状態の燃料電池スタックを停止保管状態とする時に、酸化剤ガスの供給を停止するための酸化剤ガス調整手段を制御する第１の制御信号と、原燃料の供給量を低減するための原燃料調整手段を制御する第２の制御信号と、燃料オフガス排気経路の燃料オフガスの逆流防止判断基準に基づいて、燃料オフガス排気経路を遮断するための燃料オフガス調整手段を制御する第３の制御信号と、燃料ガス供給経路を遮断するための燃料ガス調整手段を制御する第４の制御信号とを順次送信し、さらに遅くとも第４の制御信号を送信するまでに酸化剤オフガス排気経路を遮断するための酸化剤オフガス調整手段を制御する制御信号を送信する制御手段を備えたものである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、停止時に酸化剤極の残留酸素を消費除去したのちに酸化剤極で水素を発生させ、燃料極および酸化剤極を水素含有ガスで満たして密閉し保管する停止保管方法において、燃料極の燃料ガスの欠乏による触媒劣化の防止と改質器の異常温度上昇の防止とを両立することができるので、信頼性の高い燃料電池発電システムの制御方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明を実施するための実施の形態1による燃料電池発電システムの構成を示す模式図である。図１において、燃料電池スタック１は、電解質膜２が燃料極３と酸化剤極４とで狭持されたものであり、燃料極３には燃料ガスが供給される燃料ガス供給孔３ａと燃料オフガスが排気される燃料オフガス排気孔３ｂとが備えられており、酸化剤極４には酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給孔４ａと酸化剤オフガスが排気される酸化剤オフガス排気孔４ｂとが備えられている。図１において、燃料電池スタック１は、一対の燃料極３と酸化剤極４とで電解質膜２を挟持した単電池で表しているが、実際には複数の単電池を積層したものが用いられる。燃料極３には、燃料ガスのガス圧を測定するガス圧計３ｄが取り付けられている。原燃料供給手段５は、都市ガスやメタンガス、灯油などのエネルギー原料を供給するエネルギー原料供給手段５ａと原料水供給手段５ｂとで構成されている。改質器６には、原燃料供給手段５から原燃料が供給される原燃料供給孔６ａとエネルギー原料が燃焼バーナ（図示せず）に供給されるバーナ起動用エネルギー原料供給孔６ｂと改質器６の内部で生成された燃料ガスが出力される燃料ガス出力孔６ｃと燃料オフガスが燃焼バーナに供給される燃料オフガス供給孔６ｄとが備えられている。
【００１８】
原燃料供給手段５と原燃料供給孔６ａとは、原燃料供給経路８で接続されており、この原燃料供給路８には原燃料の供給量を調節する原燃料調整手段８ａが備えられている。エネルギー原料供給手段５ａとバーナ起動用エネルギー原料供給孔６ｂとはバーナ起動用エネルギー原料経路９で接続されており、このバーナ起動用エネルギー原料経路９は、バーナ起動用エネルギー原料調整手段９ａを備えている。
【００１９】
改質器６の燃料ガス出力孔６ｃと燃料電池スタック１の燃料ガス供給孔３ａとは、燃料ガス供給経路１０で接続されており、この燃料ガス供給経路１０には、燃料ガスの供給量を調整する燃料ガス調整手段１０ａが備えられている。改質器６の燃料オフガス供給孔６ｄと燃料電池スタック１の燃料オフガス排気孔３ｂとは、燃料オフガス排気経路１１で接続されており、この燃料オフガス排気経路１１には、燃料オフガスの排気量を調整する燃料オフガス調整手段１１ａが備えられている。また改質器６には、燃焼バーナ（図示せず）に燃焼用空気を供給する燃焼用空気ブロア７が接続されている。酸化剤ガス供給手段１２と酸化剤ガス供給孔４ａとは、酸化剤ガス供給経路１３で接続されており、この酸化剤ガス供給経路１３には、酸化剤ガスの供給量を調整する酸化剤ガス調整手段１３ａが備えられている。酸化剤オフガス排気孔４ｂには、酸化剤オフガス排気経路１４が接続されており、この酸化剤オフガス排気経路１４には、酸化剤オフガスの排気量を調整する酸化剤オフガス調整手段１４ａが備えられている。酸化剤オフガス排気経路１４の一方の端部は、この燃料電池発電システムの外部（図示せず）に接続されている。
【００２０】
燃料極３と酸化剤極４とには、それぞれ電気出力端子３ｃ、４ｃが備えられており、この電気出力端子３ｃと４ｃとの間に、スイッチ１５と電力変換器１６とで構成された負荷装置１７が接続されている。電力変換器１６の出力端子１６ａには、外部負荷１８が接続されている。
【００２１】
原燃料供給手段５、原燃料調整手段８ａ、バーナ起動用エネルギー原料調整手段９ａ、燃料ガス調整手段１０ａ、燃料オフガス調整手段１１ａ、酸化剤ガス供給手段１２、酸化剤ガス調整手段１３ａ、酸化剤オフガス調整手段１４ａおよび負荷装置１７は、制御手段１９で制御される。制御手段１９で制御されるこれらの各機器類や燃料電池スタック１、改質器６は、温度、圧力、流量、電流、電圧など制御に必要なセンサ信号を制御手段１９に送り、制御手段１９からの制御信号で所定の動作を行うように構成されている。
【００２２】
なお、図示していないが、燃料電池スタック１の温度を制御するための冷却装置も備わっている。
【００２３】
エネルギー原料供給手段５ａとしては、例えばエネルギー原料としてプロパンガスを用いる場合にはガスボンベを用いてもよいし、エネルギー原料として都市ガスを用いる場合は都市ガスの配管を原燃料供給経路８とバーナ起動用エネルギー原料供給経路９に接続してもよい。原料水供給手段５ｂは、原料に一定の割合の水を注入する装置であり、例えばポンプや流量計で構成されている。酸化剤ガス供給手段１２としては、酸化剤ガスに空気を用いる場合は、空気ブロアを用いることができる。
【００２４】
原燃料調整手段８ａ、バーナ起動用エネルギー原料調整手段９ａ、燃料ガス調整手段１０ａ、燃料オフガス調整手段１１ａ、酸化剤ガス調整手段１３ａおよび酸化剤オフガス調整手段１４ａとしては、一般に、外部信号により開閉や開度調整が可能なバルブや弁が用いられる。また、原燃料供給経路８、バーナ起動用エネルギー原料経路９、燃料ガス供給経路１０、燃料オフガス排気経路１１、酸化剤ガス供給経路１３および酸化剤オフガス排気経路１４は、一般に金属製や樹脂製の配管が用いられる。
【００２５】
電力変換器１６としては、燃料電池スタック１からの電気出力を外部負荷１８で使用可能な電圧、周波数に変換するコンバータやインバータを用いることができる。制御手段１９としては、センサ信号の受信や制御信号の送信ができる例えばコンピュータを用いた制御装置やシーケンサなど一般的な制御装置を用いることができる。
【００２６】
次に、本実施の形態における動作について説明する。なお、以下に説明する動作は、すべて制御手段１９からの制御信号に基づいて行われる。
【００２７】
まず始めに、定常の発電運転時の動作について説明する。定常の発電運転時においては、改質器６は、エネルギー原料供給手段５ａと原料水供給手段５ｂとから、それぞれ都市ガスなどのエネルギー原料と原料水との供給を受け、エネルギー原料と水とからなる原燃料を改質して水素含有ガスである燃料ガスを生成する。この燃料ガスは、燃料ガス出力孔６ｃと燃料ガス供給経路１０とを経由して燃料ガス供給孔３ａから燃料電池スタック１の燃料極３に供給される。このとき、燃料ガス調整手段１０ａは開である。燃料極３に供給された燃料ガスのうち発電のための電極反応に寄与しなかったものが、燃料オフガスとして燃料オフガス排気孔３ｂと燃料オフガス排気経路１１とを経由して改質器６の燃料オフガス供給孔６ｄから燃焼バーナへ供給される。このとき燃料オフガス調整手段１１ａは開である。燃焼バーナでは、燃料オフガス供給孔６ｄから供給された燃料オフガスと燃焼用空気ブロア７から供給された空気との混合ガスが燃焼されて改質器６が約７００℃に保たれる。改質器６は、原燃料の改質に必要なエネルギーと熱放散によるエネルギー損失を燃料オフガスの燃焼エネルギーで補うエネルギーバランスが保たれ、所定の温度を維持するように設計されている。燃料電池スタック１の発電出力を変化させるには燃料極３への供給燃料ガス量を制御する必要があるが、燃料極３で消費される燃料ガスと改質器６を運転するために必要なエネルギーを賄う燃料オフガスが得られるように改質器６への供給原燃料が制御される。なお、改質器６の起動時には、燃料オフガスはまだ利用できないので、バーナ起動用エネルギー原料調整手段９ａを開にしてエネルギー原料供給手段５ａからエネルギー原料を燃焼バーナに供給して燃焼させて改質器６の温度を上昇させる。改質器６の温度条件が成立し改質反応が始まり燃料オフガスの供給を受けるようになるとバーナ起動用エネルギー原料調整手段９ａを閉じ、代わりに燃料オフガスを燃焼バーナで燃焼させて定常運転状態となる。
【００２８】
一方、酸化剤ガス供給手段１２から得られる酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給経路１３を経由して酸化剤ガス供給孔４ａから燃料電池スタック１の酸化剤極４へ供給される。このとき、酸化剤ガス調整手段１３ａは開である。酸化剤極４に供給された酸化剤ガスのうち発電のための電極反応に寄与しなかったものが、酸化剤オフガスとして酸化剤オフガス排気孔４ｂから酸化剤オフガス排気経路１４を経由してシステムの系外へ排気される。このとき、酸化剤オフガス調整手段１４ａは開である。
【００２９】
燃料電池スタック１の燃料極３と酸化剤極４に供給された燃料ガスと酸化剤ガスの発電反応により発生した電力は、燃料極３および酸化剤極４にそれぞれ備えられた電気出力端子３ｃと４ｃから取り出される。負荷装置１７のスイッチ１５はオン状態で、燃料電池スタック１の発電電力は電力変換器１６で電圧、周波数を変換され外部負荷１８で消費される。
【００３０】
次に、停止時の動作のついて説明する。図２は、本実施の形態における燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。上記で説明した定常発電状態のシステムを停止するには、まずステップ１として、酸化剤ガス調整手段１３ａを閉にして酸化剤極４への酸化剤ガスの供給を停止する。このとき、酸化剤ガス供給手段１２を停止するとともに、酸化剤極４へ空気が逆流しないように酸化剤オフガス調整手段１４ａも閉にする。したがってステップ１以降、発電に使われる酸化剤ガスは酸化剤極４に残留している酸化剤ガスだけとなる。
【００３１】
発電を続けると酸化剤極４の残留酸化剤ガス中の酸素濃度は低下し、これに伴って燃料極３で消費される燃料ガスも減少して行く。そこでステップ２として、燃料極３で消費される燃料ガス量を改質器６のエネルギーバランスを崩さずに生成できるように改質器６を制御する。このために酸化剤極４への酸化剤ガス供給停止後に燃料極３で消費される燃料ガス量の変化を予め実験的に取得し、このデータに基づいて原燃料の供給量を制御する。このために原燃料調整手段８ａの開度を低下させて改質器６への原燃料の供給量を低減する。ステップ２以降、予め定めた逆流防止判断基準が成立したら次のステップ３に進み、燃料オフガス調整手段１１ａを閉にし、燃焼用空気ブロア７を停止する。
【００３２】
このときの逆流防止判断基準として燃料極３に設置したガス圧計３ｄの検出した燃料ガスのガス圧を採用することができる。ガス圧計３ｄの検出した燃料ガス圧力が予め設定した設定値になったらステップ３を行う。この設定値は、改質器６の燃焼バーナ部の空気圧とすることができる。
【００３３】
ステップ３の後、燃料極３での水素消費が無くなった時点でステップ４として、燃料ガス調整手段１０ａを閉にする。燃料極３で水素消費が無くなった時点の判断は燃料電池スタック１の出力電圧が実質的にゼロになった時、例えば１Ｖ以下になった時点とする。次いでステップ５として原燃料調整手段８ａを閉にして改質器６を完全に停止する。さらに原燃料供給手段５、負荷装置１７を停止し燃料電池発電システムの停止操作を終了し保管する。
【００３４】
以下、上記で説明した制御の作用、効果を説明する。
ステップ１で酸化剤ガス調整手段１３ａと酸化剤オフガス調整手段１４ａを閉じたため酸化剤極４への外部から酸化剤ガスの供給は停止する。この結果、酸化剤極４で発電反応に供せられる酸化剤ガスは、酸化剤極４の連通空間すなわち酸化剤ガス調整手段１３ａから酸化剤ガス供給経路１３、酸化剤極４、酸化剤オフガス経路１４、酸化剤オフガス調整手段１４ａまでの空間に残留している酸化剤ガスである。
一方、燃料極３への燃料ガスの供給と燃料電池スタック１の電気出力の負荷装置１７での消費は発電中と同じく続いているため、ステップ１の操作により時間の経過と共に酸化剤極４の連通空間中の酸素は発電反応で消費除去され、酸素濃度は低下していく。これに伴い、発電反応も低下し燃料極３での燃料ガスの消費量も低下する。燃料極３に供給される燃料ガス量が定常発電中と同じであれば、燃料極３での燃料ガス消費量が減った分だけ過剰な燃料オフガスが改質器６に供給され、改質器６のエネルギーバランスが崩れ異常温度上昇が起こる。
【００３５】
しかし、本実施の形態の制御ではステップ２として酸化剤極４への酸化剤供給を停止後に燃料極３で消費される燃料ガスを改質器６のエネルギーバランスを崩さずに生成するように改質器６を制御している。すなわち、燃料極３で必要な燃料ガスと改質器６を運転するのに必要な燃料オフガスが得られるように改質器６への原燃料の供給量を制御している。したがって、改質器６へは過剰な燃料オフガスが供給されることはなく、改質器６の温度上昇は起きない。また燃料極３で必要な燃料ガス量を供給できるので燃料極３の燃料欠乏も起きない。
【００３６】
ステップ２以降、酸化剤極４の連通空間の酸素は消費除去され、酸素濃度がゼロまで下がると燃料極３と酸化剤極４の水素分圧差による水素濃淡電池が構成され（３）式および（４）式の反応により水素が燃料極３から酸化剤極４に電気化学的に移動する。燃料極３と酸化剤極４の水素濃度が等しくなると、燃料極３から酸化剤極４への水素移動もなくなり、燃料極３での水素（燃料ガス）の消費もなくなる。しかし燃料極３で燃料ガスの消費がなくなる前に、燃料極３で必要とされる燃料ガスが微少になると燃料極３に供給される燃料ガス量も微少となり、燃料極３の燃料ガスの圧力も微少となる。その結果、燃料極３の燃料オフガス排気孔３ｂは改質器６の燃焼バーナに繋がっているため、燃料極３の燃料ガス圧が改質器６の燃焼バーナ部の圧力より低くなると、燃焼バーナ部から燃料極３に空気が逆流する恐れがある。しかし、本実施の形態では逆流防止判断基準として燃料極３のガス圧計３ｄで検出する燃料ガス圧値を採用しており、燃料ガス圧が改質器６の燃焼バーナ部の圧力まで低下したらステップ３として燃料オフガス調整手段１１ａを閉じ燃料オフガス排気経路１１を遮断して逆流を防止している。
【００３７】
ステップ３で燃料オフガス調整手段１１ａが閉じられると改質器６から燃料極３への燃料ガスの流れも停止する。したがって、燃料極３への燃料ガスの流れによる供給は停止する。しかし、改質器６と燃料極３は燃料ガス調整手段１０ａが開なので燃料ガス供給経路１０で空間的に繋がっており、燃料ガスの流れはなくとも改質器６や燃料ガス供給経路１０など燃料極３に繋がっている空間の燃料ガス（水素）が拡散によって供給される。流れによる供給に比べれば、拡散では少量の燃料ガスの供給しかできないが、ステップ３が行われる状況では燃料極３で必要とされる燃料ガス量は微少であり、拡散によって充分供給できるレベルである。したがって、燃料極３に連通している空間の水素濃度がゼロになるまで長時間に亘って燃料極３に水素を供給することができ、燃料極３の水素欠乏を防止できる。
【００３８】
ステップ３の後、燃料極３で燃料ガスの消費がなくなった状態は前に説明したように燃料極３と酸化剤極４の水素分圧が等しくなった状態、すなわち燃料極３と酸化剤極４が水素含有ガスで満たされた状態である。この時は燃料電池スタック１の出力電圧がゼロになっているため、燃料電池スタック１の出力電圧がゼロになった時点でステップ４を行う。この結果燃料極３は密閉され、また酸化剤極４はステップ１で密閉されているため、ステップ４を行った時点で燃料電池スタック１の燃料極３と酸化剤極４は水素含有ガスで満たされ密閉された状態となる。したがって、ステップ４で燃料電池スタック１としては保管準備が完了する。
【００３９】
ステップ４で燃料電池スタック１の停止保管操作は完了するが、燃料電池発電システムを停止するには改質器６の完全停止や原燃料供給手段５、負荷装置１７、その他の補機類や制御手段１９などを停止するステップ５が必要である。制御手段１９以外は、ステップ５の前でも不要になれば停止して問題ない。
【００４０】
このように構成された燃料電池発電システム制御方法においては、停止時に酸化剤ガスの供給を停止したことにより燃料極３で消費される燃料ガスの量が減少しても、改質器６のエネルギーバランスを崩さずに燃料極３が必要とする燃料ガスを燃料極３に供給できるように改質器６への原燃料の供給量を低減しているので、改質器６の異常温度上昇を防ぐと共に酸化剤極４の残留酸素の消費除去および酸化剤極４への水素移動のために燃料極３に必要とされる燃料ガスを供給できる。また、燃料極３の燃料ガスのガス圧があらかじめ設定した設定値以下になった時点で燃料オフガス調整手段１１ａを閉じているので、燃焼バーナから燃料極３への空気の逆流を防ぐことができ、燃料オフガス調整手段１１ａを閉じた後も燃料極３と改質器６が空間的に繋がっているため、拡散によって改質器６から燃料極３に長時間水素を供給できる。この結果酸化剤極４に残留する酸化剤ガス中の酸素をすべて電極反応で消費して酸化剤極４に水素を発生させることができ、燃料極３および酸化剤極４を水素含有ガスで満たして密閉し保管することができるので、停止操作時に改質器６の異常温度上昇と燃料極３の燃料ガス欠乏による触媒劣化を防止しつつ停止保管時の酸化剤極４の触媒劣化を防止することができ信頼性の高い燃料電池発電システムの制御方法が得られる。
【００４１】
なお、本実施の形態ではステップ２で行う改質器６の制御、すなわち改質器６への原燃料供給量の制御を、予め実験的に求めておいた燃料極３での必要水素量の時間変化のデータに基づいて行う例を示したが、停止操作時に燃料オフガスの増加を検出し、それに基づいて原燃料供給量を減少させる制御を行ってもよい。燃料オフガスの増加、正しくは燃料オフガス中に含まれる水素量の増加は、燃料オフガスの流量および水素濃度から、あるいは改質器６から出力される燃料ガス量と水素濃度と燃料電池スタック１の出力電流から求めることができる。燃料オフガス中の水素分の増加量から、燃料極３で消費される燃料ガス（水素）量を求め、その水素量を生成するのに必要な原燃料を改質器６に供給するように原燃料調整手段８ａを制御すればよい。必要な原燃料量は燃料極３の消費水素だけでなく燃料オフガス中の水素（改質器６の運転用水素）も合わせて生成できる量である。また簡単に行うには、燃料オフガス中の水素分の増加を押さえるように原燃料供給量を低減しても効果がある。
【００４２】
また、本実施の形態では逆流防止判断基準として燃料極３の燃料ガスの圧力を採用し、燃料ガス圧力が改質器６の燃焼バーナ部の圧力値まで下がったら逆流防止判断基準が成立したとしてステップ３に進む例を示したが、予め逆流が起こらない燃料極３の燃料ガス圧力の最低値を実験的に求め設定値とし、停止操作時に燃料極３の燃料ガスの検出圧力が設定値になったら逆流防止判断基準が成立したとしてもよい。また逆流防止判断基準として燃料極３の燃料ガスの圧力ではなく、燃料オフガス排気経路１１の燃料オフガスの流量を採用してもよい。燃料オフガス排気経路１１に流量計を設置し、燃料オフガス排気経路１１の燃料オフガスの検出流量が予め定めた設定値まで下がったら逆流防止判断基準が成立したとしてよい。原理的には逆流が起こるときには流れの向きが逆方向になるため予め定めた設定値としては流量ゼロでもよいが、安全を見越して若干プラス側にしておいてもよい。また逆流防止判断基準としては、燃料オフガス調整手段１１ａと改質器６の燃料オフガス供給孔６ｄとの間の燃料オフガス排気経路１１中の酸素濃度を採用しても良い。燃料オフガス排気経路１１の該当部分に酸素検出器を設置し、燃料オフガスが改質器６の燃焼バーナに供給されている間は燃料オフガス排気経路１１内に酸素は存在しないため、酸素検出器が酸素を検出した時点で逆流防止判断基準が成立したとしてステップ３を行ってもよい。また制御装置１９にタイマーを設けて、酸化剤極４への酸化剤ガス供給を停止してから改質器６の燃焼バーナ部からの逆流が起こるまでの時間、逆流開始時間を予め実験的に取得し、酸化剤ガス供給停止後の経過時間が逆流開始時間になったことで逆流防止判断基準が成立したとしてもよい。
【００４３】
なお、逆流防止判断基準が成立したら必ず燃料オフガス調整手段１１ａを閉じなければならないが、燃料極３での消費水素量を燃料オフガス調整手段１１ａを閉じて改質器６からの拡散供給で賄えるのであれば逆流防止判断基準が成立する前に燃料オフガス調整手段１１ａを閉じても当然よい。
【００４４】
また本実施の形態ではステップ４を行うタイミングを燃料極３での水素消費がなくなる時点とし、燃料電池スタック１の出力電圧が実質ゼロＶになることで判断する例を示したが、燃料極３での水素消費がなくなる時点は、燃料極３と酸化剤極４の水素分圧を直接検出して両極の水素分圧が等しくなったことでも判断できる。また制御装置１９にタイマーを設けて、酸化剤極４への酸化剤ガス供給を停止してから燃料極３での水素消費がなくなるまでの時間、水素消費時間を予め実験的に取得し、酸化剤ガス供給停止後の経過時間が水素消費時間に達したらステップ４を行うようにしてもよい。
【００４５】
上で示したようにステップ４を行うタイミングを本実施の形態では燃料極３での水素消費がなくなる時点としているが、燃料電池スタック１や燃料ガス供給経路１０の構造によっては燃料極３で水素消費が行われている時点でステップ４を行っても、すなわち燃料ガス調整手段１０ａを閉じてもよい場合もある。ステップ４を行うと燃料極３の連通空間は、燃料ガス調整手段１０ａから燃料ガス供給経路１０、燃料極３、燃料オフガス排気経路１１、燃料オフガス調整手段１１ａまでの空間となるが、ステップ４を行ったときにこの燃料極３の連通空間に残留水素が充分に在れば、これ以降、この燃料極３の連通空間の水素だけで必要となる水素を燃料極３に拡散で供給できる。燃料極３の連通空間の水素量は燃料電池スタック１や燃料極３、燃料ガス供給経路１０や燃料オフガス排気経路１１の構造や内容積、また燃料ガス調整手段１０ａを閉じる時の燃料ガス圧に依存するため、予めステップ４を行うタイミングは実験的に求めておくことが望ましい。とくにステップ３と同時にステップ４を行っても燃料極３で必要となる水素量が賄えるのであれば、ステップ４のタイミングを計る必要がなくなり制御が簡単になる。
【００４６】
また本実施の形態においては、停止操作時に電力変換器１６により燃料電池スタック１の出力の消費を継続する例を示したが、燃料電池スタック１の出力電圧が小さくなっても電力変換器１６で燃料電池スタック１の出力の消費を継続するためには、電力変換器１６が複雑になる。これを避けるために、図３に示すように内部にスイッチ３１と抵抗３２とが直列に接続された保管抵抗装置３３を設けて、この保管抵抗装置３３で停止操作時の燃料電池スタック１の出力を消費してもよい。図３は、本実施の形態における燃料電池発電システムの別の構成を示す模式図である。図３において、スイッチ３１と抵抗３２とが直列に接続された保管抵抗装置３３が、負荷装置１７と並列に電気出力端子３ｃと４ｃとの間に接続されている。保管抵抗装置３３は制御手段１９で制御されている。図３において、停止動作の開始時に、制御手段１９によって、スイッチ１５をオフとし、スイッチ３１をオンとして、燃料電池スタック１の接続を電力変換器１６から抵抗３２に切り換える。この結果、以降のステップで燃料電池スタック１の出力は抵抗３２で消費され、燃料電池スタック１の出力電圧が低下しても容易に燃料電池スタック１の出力の消費を継続することが可能となる。したがってこの構成では、停止動作開始後に電力変換器１６を制御しなくとも酸化剤極４での酸素消費除去、水素発生反応が自動的に最後まで行われ、酸化剤極４を容易に水素雰囲気にすることができるという効果もある。
【００４７】
さらに、ステップ５で燃料電池発電システムを停止した後も、スイッチ３１をオンの状態で抵抗３２を接続した状態のままで保管してもよい。保管時の燃料極３あるいは酸化剤極４は密閉されているといえども、微少な漏れまたは外気の侵入の恐れがある。燃料電池スタック１の出力を抵抗３２に接続した状態で保管していれば、漏れや外気の侵入で、燃料極３あるいは酸化剤極４のどちらかの水素濃度が下がった場合に、両極間に水素濃淡電池が形成され、水素濃度の低い極へ電解質膜２を通って水素が移動して両方の電極の水素濃度が自動的に等しくなるように調節される。したがって、燃料極３と酸化剤極４との間で水素を互いに融通し合えるために、両電極を水素雰囲気に保ちやすく長時間の保管でも両極の電極触媒の劣化を防止できることができるという効果もある。
【００４８】
また本実施の形態においては上で説明したように、酸化剤極４への酸化剤ガスの供給停止後、酸化剤極４では酸化剤ガスが消費除去され、次いで水素が発生し、最終的には酸化剤電極４の水素分圧は燃料極３の水素分圧と等しくなる。酸化剤ガスとして空気を用いた場合には、酸化剤極４のガス圧は酸化剤ガスとしての空気から酸素が除去された残りの窒素の窒素分圧と水素分圧との和となるため、燃料極３と等しい水素分圧になると酸化剤極４の全ガス圧が高くなりすぎて、燃料電池スタック１やガス配管などのシールに悪影響を与える場合もある。この場合は、酸化剤極４の全ガス圧が許容圧力を超えたらスイッチ１５をオフにして燃料電池スタック１の出力を開放にして、酸化剤極４の水素発生を停止して酸化剤極４の圧力上昇を抑えてもよい。なお、燃料電池スタック１の温度が低下するなどして、酸化剤極４の全ガス圧が許容値以下になったら再びスイッチ１５をオンにして燃料電池スタック１の出力を電力変換器１６に接続して、酸化剤極４の水素分圧を上げる。このような操作を行うためには、負荷として電力変換器１６よりも図３に示す保管抵抗装置３３の抵抗３２を用いた方が操作しやすい。このように燃料電池スタック１の出力と電力変換器１６あるいは抵抗３２の接続を制御すれば酸化剤極４を水素雰囲気に保つことができるとともに全ガス圧を許容圧力以下に抑えることができるので、燃料電池スタック１やガス配管などに機械的な悪影響を与えずに触媒劣化を防止することができる。
【００４９】
また、酸化剤極４の全ガス圧を過大にしないためには、酸化剤極４の水素濃度が燃料極３と同じになってから酸化剤オフガス調整手段１４ａを閉じてもよい。ステップ１で酸化剤ガス調整手段１３ａを閉じた時に酸化剤オフガス調整手段１４ａを開状態のままにしておく。上で説明したように、酸化剤極４の酸素は消費され酸化剤オフガス調整手段１４ａが開のため酸化剤極４に逆流してくる酸素もあるが、燃料極３への燃料ガスが充分にあれば、最終的に酸化剤極４内の酸素は除去され、逆に、酸化剤極４では水素発生が始まり開状態の酸化剤オフガス調整手段１４ａから流出するようになる。このときには酸化剤極４の水素分圧は燃料極３と同じであり、また酸化剤極４の全ガス圧は大気圧に等しい。この状態で酸化剤オフガス調整手段１４ａを閉じれば、酸化剤極４を過大圧力にすることなく水素雰囲気にすることができる。
【００５０】
また停止操作開始のステップ１に先立って、燃料電池発電システムを低出力運転としてもよい。具体的には、原燃料供給手段８ａの開度を下げて原燃料の供給量を減らしておく。改質器６に供給された原燃料が改質され燃料ガスとして燃料ガス出力孔６ｃから出てくるまでには若干の時間遅れがある。したがって、ステップ１に続いて直にステップ２で改質器６への原燃料供給量を低減制御しても燃料オフガス量が低減するまでには時間遅れがあり、ステップ２直後は短時間ではあるが過剰な燃料オフガスが改質器６に供給される。あらかじめ燃料電池発電システムを低出力運転としておけば、停止動作開始前から燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの量が少ないため、ステップ１後の燃料オフガス量も絶対値的に少なくなり、ステップ２直後の燃料オフガス量の低減が始まるまでの間の改質器６の温度上昇を抑えることができる。また別の方法として、上記の燃料オフガス量の低減が始まるまでの間は燃料オフガス排気孔３ｂから排気される燃料オフガスの過剰分を改質器６に供給せずにシステム外に排気してもよい。
【００５１】
実施の形態２．
図４は、実施の形態２における、燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。本実施の形態において、燃料電池発電システムの構成は、図１あるいは図３に示す実施の形態１と同様である。本実施の形態においては、燃料電池スタック１の出力電圧と燃料オフガス量との間に相関があることを利用して、燃料電池発電システムの停止を行うものである。通常の発電運転時の動作は、実施の形態１と同様であるので省略する。停止時の制御手段１９の制御手順を図４に基づいて説明する。
【００５２】
定常発電状態のシステムを停止するには、まずステップ１として、酸化剤極４への酸化剤ガスの供給を停止する。このために実施の形態１と同様に酸化剤ガス調整手段１３ａ、酸化剤オフガス調整手段１４ａを閉、酸化剤供給手段１２を停止する。
【００５３】
この状態で発電を継続していると実施の形態１で説明したように、酸化剤極４の連通空間の酸素濃度の低下に伴って燃料電池スタック１の出力電圧は低下していく。燃料電池スタック１の出力電圧があらかじめ設定された電圧下限値になったときに、原燃料停止判断基準が成立したとしてステップ２の改質器６への原燃料を供給する原燃料調整手段８ａを閉じ、原燃料の供給を停止する。また原燃料供給手段５も停める。
【００５４】
ステップ２以降、実施の形態１と同様に逆流防止判断基準が成立したらステップ３へ進み、燃料オフガス調整手段１１ａを閉じる。また燃焼用空気ブロア７も停止する。図４では逆流防止判断基準として燃料極３の燃料ガス圧を採用した場合を示しており、燃料極３の燃料ガス圧が設定値以下になったらステップ３を行う。
【００５５】
ステップ３の後、実施の形態１と同様に燃料極３での水素消費が無くなった時点でステップ４として、燃料ガス調整手段１０ａを閉にし、次いでステップ５として負荷装置１７を停止し燃料電池発電システムの停止操作を終了し保管する。
【００５６】
以下、上記の手順で燃料電池発電システムを停止したときの作用効果を説明する。
まずステップ２を行うタイミングを決める電圧下限値について説明する。ステップ１で行うような酸化剤極４に酸化剤ガスを供給せずに発電を続けると酸化剤極４の酸素濃度は下がっていく。酸化剤極４の酸素濃度の低下により発電反応が起こりにくくなり、燃料極３での消費燃料ガス量は減少し燃料電池スタック１の出力電圧は低下する。酸化剤極４の酸素濃度が更に下がり水素濃淡電池が構成されると酸化剤極４の水素濃度が上昇するにつれて燃料極３での燃料ガス消費量は低下し、更に燃料電池スタックの出力電圧は低下する。一方、燃料極３での水素消費量が低減すれば改質器６に供給される燃料オフガスは増加していく。したがって燃料電池スタック１の出力電圧と燃料オフガス量は相関がある。電圧下限値とは、改質器６のエネルギーバランスが成り立つ燃料オフガスの最大許容量に対応する燃料電池スタック１の出力電圧である。電圧下限値は予め実験的に決定しておく。
ステップ１で酸化剤極４への酸化剤ガスの供給を停止した後、始めは酸化剤極４の酸素濃度は高く、燃料極３での燃料ガス消費も多い。この状態では発電反応が活発に起きるため燃料電池スタック１の出力電圧の低下も小さくステップ２へは進めない。したがって、改質器６に供給される原燃料量は変わらず、改質器６から燃料極３に必要な燃料ガス量が供給することができる。また燃料極３での燃料ガス消費量が多いため燃料オフガス量の過剰分は少なく、改質器６の異常温度上昇は起きない。
【００５７】
酸化剤極４の酸素の消費除去が進むにつれて燃料極３で消費される燃料ガス量は少なくなり改質器６に供給される燃料オフガスは増大していく。また同時に燃料電池スタック１の出力電圧は低下していく。改質器６に供給される燃料オフガス量が最大許容量を超えると改質器６の異常温度上昇が起こるが、燃料電池スタック１の出力電圧が最大許容燃料オフガス量に対応する電圧下限値に達すると、ステップ２として改質器６への原燃料供給を停止するため、最大許容量以上の燃料オフガスは改質器６に供給されない。したがって改質器６のエネルギーバランスが崩れずに改質器６の異常温度上昇を防ぐことができる。
【００５８】
しかもステップ２で改質器６への原燃料供給を停止しても、その時点までに供給された原燃料が改質器６に残留しているために、直に燃料極３への燃料ガス供給が停止することはない。改質器６からは減少しながらも燃料ガスが燃料極３に供給され、酸化剤極４の連通空間の酸素除去、水素発生に供される。
【００５９】
すなわち、本実施の形態における改質器６の制御は、燃料極３で消費される燃料ガス量が多く（燃料オフガス量が少なく）改質器６の異常温度上昇が起きない期間は改質器６への原燃料供給量を減少させずに充分な燃料ガスを燃料極３に供給できるので燃料極３の燃料ガス欠乏を防止でき、燃料極３で消費される燃料ガス量が少なく（燃料オフガス量が多く）改質器６の異常温度上昇が起きる恐れのある期間は改質器６への原燃料供給を停止して改質器６の異常温度上昇を防止できる。また改質器６への原燃料供給停止後は燃料極３で必要とされる燃料ガス量が少ないため改質器６の残留原燃料により燃料極３へは必要な燃料ガスが供給できる。
【００６０】
ステップ２以降、燃料極３へは改質器６の残留原燃料が改質され燃料極３に燃料ガスが供給されるが、時間が経つにつれて燃料ガス量は減少し燃料極３の燃料ガス圧が低下していく。以降の制御の作用効果は実施の形態１と同様である。
【００６１】
本実施の形態で示す停止操作を行っても、実施の形態１と同様に改質器６の異常温度上昇と燃料極３の燃料ガス欠乏による触媒劣化を防止しつつ停止保管時の酸化剤極４の触媒劣化を防止することができ信頼性の高い燃料電池発電システムが得られる効果がある。さらに、ステップ２で行う改質器６への原燃料供給量制御を原燃料調整手段８ａの開／閉の二値制御で行えるため、制御手順、制御装置が簡単になる効果もある。
【００６２】
なお、本実施の形態においては、改質器６への原燃料供給の停止タイミングすなわちステップ２のタイミングを燃料電池スタック１の出力電圧が電圧下限値まで低下したことで原燃料停止判断基準が成立したとして検出しているが、燃料電池スタック１の出力電流で検出してもよい。とくに図３に示すような燃料電池スタック１の出力を保管抵抗装置３３に切り換えて停止操作を行う場合は、燃料電池スタック１の出力電圧に出力電流は比例するため、同じタイミングとなる。また燃料電池スタック１の出力電圧は、酸化剤極４の酸素濃度の低下あるいは水素濃度の上昇に関係しているため、ステップ２のタイミングは酸化剤極４の酸素濃度あるいは水素濃度で判断してもよい。また当然、改質器６に供給される燃料オフガス中の水素量を直接測定し、それが許容オフガス量を超えない条件でステップ２を行ってもよいが、そのためには燃料オフガスの流量と水素濃度の測定手段が必要となる。
【００６３】
また、実際に燃料電池スタック１の出力電圧または出力電流あるいは酸化剤極４の酸素濃度、水素濃度、または燃料オフガス量を監視せずに、ステップ１から燃料電池スタック１の出力が、電圧下限値あるいは設定電流値あるいは酸化剤極４の酸素濃度、水素濃度、または燃料オフガス量が設定値になるまでの時間をあらかじめ測定しておき、この時間に制御手段１９に備えたタイマーによって原燃料調整手段８ａを閉じてもよい。このようにすれば、制御がさらに簡単になる。
【００６４】
実施の形態３．
図５は、実施の形態３における、燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。本実施の形態において、燃料電池発電システムの構成は、図１あるいは図３に示す実施の形態１と同様である。ただし、制御手段１９は、タイマーを備えている。通常の発電運転時の動作は実施の形態１と同様であるので省略する。停止時の動作を図５に基づいて説明する。
【００６５】
前もって、改質器６への原燃料の供給を停止してから逆流防止判断基準が成立するまでの時間を取得し、これを水素供給残時間Ｔ１とする。また酸化剤極４への酸化剤ガスの供給を停止してから酸化剤極４の水素分圧が燃料極３の水素分圧値と等しくなるまでの時間をあらかじめ取得し、これを水素消費時間Ｔ２とする。
【００６６】
本実施の形態においては、予め取得した水素供給残時間Ｔ１と水素消費時間Ｔ２を使って停止操作を行う。ステップ１として、実施の形態１と同様に酸化剤ガス調整手段１３ａと酸化剤オフガス調整手段１４ａを閉、酸化剤供給手段１２を停止し、酸化剤極４への酸化剤ガスの供給を停止する。同時に、酸化剤の供給を停止したときに制御手段１９のタイマーをｔ＝０にセットする。タイマーがｔ＝ｔ１となったときにステップ２として原燃料調整手段８ａを閉じて、改質器６への原燃料の供給を停止する。ただしｔ１＝Ｔ２−Ｔ１である。
【００６７】
ステップ２に続いて、それ以後の制御は前記実施の形態と同様であり、逆流防止判断基準が成立したらステップ３へ進み、次いでステップ４とステップ５とを行って、停止操作を終了する。なおステップ３に進むタイミングは、タイマーがｔ＝Ｔ２で行ってももちろんよい。また、ｔ＝Ｔ２では燃料極３の水素消費が終わっているのでステップ３とステップ４を同時に行ってもよい。
【００６８】
このように構成された燃料電池システムの制御方法においては、ステップ１で酸化剤極４への酸化剤供給を停止（ｔ＝０）してから時間の経過と共に酸化剤極４において酸素が消費除去され、次いで水素が発生し燃料極３と水素分圧が同じになるＴ２時間（水素消費時間）経過するまで（ｔ＜Ｔ２）、燃料極３で水素消費が続く。Ｔ２時間経過後（ｔ≧Ｔ２）は燃料極３での水素消費は無くなる。一方、ｔ＝０以降、ｔ＝ｔ１＝Ｔ２−Ｔ１までは改質器６へ原燃料が供給され燃料極３には多量の水素が供給される。ステップ２（ｔ＝ｔ１）で改質器６への原燃料供給を停止しても、ｔ＝ｔ１からＴ１時間（水素供給残時間）経過するまでは（ｔ＜ｔ１＋Ｔ１）、前に説明したように燃料ガスは流れにより燃料極３に供給され、必要な水素量を賄える。逆流防止判断基準が成立するとステップ３として燃料オフガス調整手段１１ａを閉じるため、改質器６から燃料極３への燃料ガス供給は拡散供給となり微小量の燃料ガスしか燃料極３に供給できなくなる。しかし、原燃料供給停止（ｔ＝ｔ１）からＴ１時間（水素供給残時間）経過後（ｔ＝ｔ１＋Ｔ１＝Ｔ２）に逆流防止判断基準が成り立つため、燃料極３に微小量の燃料ガスしか供給できなくなるのと同時に燃料極３での水素消費が終了する。燃料極３の燃料ガス供給が拡散供給となる時点で燃料極３での水素消費期間が同時に終わる。すなわち燃料極３で多くの水素が消費される期間は、燃料極３には改質器６から燃料ガスが充分に供給されるため、燃料極３での燃料ガスの欠乏が起こらず、またこのタイミング（ｔ＝ｔ１＝Ｔ２−Ｔ１）で改質器６への原燃料の供給を停止するので、燃料オフガスが過剰に改質器６に供給される時間を最も短時間にできる。この結果、改質器６の異常温度上昇を抑えることができる。
【００６９】
なお、本実施の形態のように、ステップ２の開始をｔ１＝Ｔ２−Ｔ１とすると、燃料極３での水素消費が終わるのと同時に改質器６から燃料極３の燃料ガスの供給は拡散供給となり微少となるが、ｔ１＞Ｔ２−Ｔ１とすれば、燃料極３での水素消費が終わった後も改質器６から燃料極３へは流れにより燃料ガスが供給され充分な燃料ガス供給が継続する。したがって、少なくともステップ２を行うタイミング（ｔ１）を、Ｔ２−Ｔ１で得られる時刻以降に設定すれば、燃料極３での燃料ガスの欠乏は防止できる。燃料ガス欠乏を防ぐためだけならばｔ１＝Ｔ２でもよいが、ステップ２を行うタイミングを遅らせすぎると、過剰な燃料オフガスが改質器６に供給される時間が延びることになるため、どの程度遅らせるかは、あらかじめ過剰な燃料オフガスの許容される供給時間を実験的に求めて設定する必要がある。
【００７０】
また、本実施の形態においては、Ｔ２を設定する方法として、酸化剤極４の水素分圧値を指標として用い、酸化剤極４への酸化剤供給を停止した後、酸化剤極４の水素分圧値が燃料極３の水素分圧値と等しくなり燃料極３での水素消費が終わるまでとする例を示したが、本質的に水素消費時間Ｔ２は酸化剤極４への酸化剤供給を停止した後、燃料極３での消費水素量が減少していき改質器６からの拡散供給で賄えるようになるまでの時間であり、燃料極３での水素消費量が拡散で供給できるほど微少になったと判断できる指標であれば、別の指標を用いることができる。燃料極３での水素消費は、酸化剤極４での酸素消費期間と水素発生期間とに起こり、燃料極３での水素消費量は酸化剤極４の酸素分圧が低いほど少なく、あるいは酸化剤極４の水素分圧が高いほど少ない。したがって、燃料極３での水素消費が微少であるかどうかを判断する指標として、本実施の形態で示した酸化剤極４における水素分圧のほかに、酸化剤極４での酸素分圧でもよい。さらに酸化剤極４の酸素分圧が下がるにつれ燃料電池スタック１の出力電圧も低下するため、出力電圧をその指標としてもよい。燃料極３における水素消費が微少であるかどうかは、改質器６から拡散により供給可能な燃料ガス量を基準として判断する必要がある。拡散で供給可能な燃料ガス量は改質器６や燃料極３、配管などの構造に依存するため、燃料極３で必要な燃料ガスを拡散で供給できる状態になったかどうかを判断する判断基準値すなわち水素分圧値あるいは酸素分圧値あるいはスタック電圧値は実験的に求める必要がある。水素消費時間Ｔ２は、酸化剤極４への酸化剤供給停止後、酸化剤極４の水素分圧あるいは酸素分圧あるいはスタック電圧が判断基準値になるまでの時間である。
【００７１】
実施の形態４．
実施の形態１〜３においては、酸化剤極４の酸素を消費除去するために、酸化剤極４への酸化剤ガスの供給を停止したのちも燃料電池スタック１から負荷を取り続ける例を示している。この方法は触媒での電気化学反応を利用して酸化剤極４の酸素を消費しているので、酸化剤極４の電極触媒から離れた空間（例えば酸化剤ガス供給経路１３中、以下酸化剤極４の連通空間）の酸素は拡散によって電極触媒に到達しないと消費されない。したがって酸化剤極４の連通空間に酸素が残留しやすく、またすべての酸素を発電反応で消費するために燃料極３で必要とされる燃料ガス量も多くなる。実施の形態４においては、停止時に、酸化剤極４の残留酸化剤ガスを不活性ガスで置換（パージ）することを併用して、酸化剤極４の連通空間の酸素を排気して、酸化剤極４の酸素の除去をより確実に行うものである。
【００７２】
図６は本実施の形態における燃料電池発電システムの構成を示す模式図である。本実施の形態では図１に示す実施の形態と同様な構成において、酸化剤ガス調整手段１３ａと酸化剤ガス供給孔４ａとの間に、不活性ガス供給手段６１から不活性ガスを供給できるように不活性ガス供給経路６２を介して接続したものである。不活性ガス供給経路６２には不活性ガス調整手段６２ａが備えられている。不活性ガス供給手段６１および不活性ガス調整手段６２ａは制御手段１９によって制御される。不活性ガスとしては、例えば窒素を用いることができ、不活性ガス供給手段６１としては、ボンベや窒素製造装置などを用いることができる。通常の発電運転時には、不活性ガス供給手段６１は停止されており、不活性ガス調整手段６２ａは閉じられている。
【００７３】
次に、本実施の形態における動作について説明する。通常の発電運転時の動作は、実施の形態１と同様であるので省略する。図７は、本実施の形態における、燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。
【００７４】
まず、ステップ１として酸化剤極４への酸化剤供給を停止すると共に酸化剤極４の不活性ガスによるパージを開始する。そのために、酸化剤ガス調整手段１３ａを閉じ、酸化剤ガス供給手段１２を停止し、不活性ガス供給手段６１を動作させ、不活性ガス調整手段６２ａを開ける。このとき、酸化剤オフガス調整手段１４ａは開の状態を保持する。
【００７５】
スッテプ１に続いてステップ２では、改質器６への原燃料供給を停止するため原燃料調整手段８ａを閉じる。また必要なくなる原料供給手段５ａおよび原料水供給手段５ｂを停止する。ステップ２を行うタイミングは原燃料停止判断基準が成立した時であり、例では実施の形態２と同様に燃料電池スタック１の出力電圧が予め実験的に取得した電圧下限値になった時点とする。または実施の形態２で示した他の原燃料停止判断基準を採用してもよい。次に、新たに定めた逆流防止判断基準が成立した時点でステップ３へ進み、燃料オフガス調整手段１１ａを閉じる。また同時に酸化剤極４の不活性ガスパージを停止するために不活性ガス調整手段６２ａと酸化剤オフガス調整手段１４ａとを閉じ不活性ガス供給手段６１を停止する。なお、逆流防止判断基準として、実施の形態１で示したように燃料極３の燃料ガス圧力、燃料オフガス排気経路１１の燃料オフガス流量あるいは酸素濃度が採用できるが、いずれの場合も酸化剤極４をパージしている状況で改質器６の燃焼バーナ部から燃料極３へ空気の逆流が起きない条件として実験的に求めておく。
【００７６】
ステップ３に続いて、ステップ４として、燃料ガス調整手段１０ａを閉じる。ステップ４を行うタイミングは例えば燃料極３と酸化剤極４の水素分圧値が等しくなった時点を採用でき、また実施の形態１で説明したような他の方法でも良い。次いでステップ５として負荷装置１７や他の補機類を停止し、燃料電池発電システムの停止操作を終了し保管する。
【００７７】
このように構成された燃料電池発電システムの制御方法においては、ステップ１で酸化剤極４への酸化剤ガスの供給を停止するときに同時に不活性ガスで酸化剤極４をパージするので、酸化剤極４の上流の連通空間（酸化剤ガス調整手段１３ａから酸化剤ガス供給孔４ａまでの酸化剤ガス供給経路１３、不活性ガス調整手段６２ａから酸化剤ガス供給経路１３までの不活性ガス供給経路６２）中の残留酸素は不活性ガスにより酸化剤極４を通り酸化剤オフガス調整手段１４ａが開のため酸化剤オフガス排気経路１４から排気される。酸化剤極４を通る不活性ガスと残留酸素との混合ガス中の酸素の一部は電極触媒に到達し発電反応で消費除去され、一部は不活性ガスと共に排気される。したがって、酸化剤極４の連通空間の残留酸素は下流部の酸化剤オフガス排気経路１４を含めて急速に消費除去、排気除去される。この結果、燃料電池スタック１の出力電圧は急速に低下しステップ２の改質器６への原燃料の供給停止を早く行うことができ、改質器６の異常温度上昇を抑えることができる。また酸化剤極４の残留酸素がなくなると燃料極３と酸化剤極４の水素分圧差により水素濃淡電池が形成され酸化剤極４に水素が電気化学的に発生することは前に説明したとおりである。一方、ステップ２で改質器６への原燃料供給を停止しても、前に説明したように燃料極３へは燃料ガスが減少しながらも供給され続けられる。しかし、酸化剤極４は不活性ガスパージを行っているため、酸化剤極４で発生した水素は不活性ガスにより直に除去され、酸化剤極４の水素分圧が上昇しないため燃料極３で水素は消費され続ける。逆流防止判断基準が成立した時点で燃料オフガス調整手段１１ａを閉じれば燃料極３への空気の逆流を防止することができるが、燃料極３へは燃料ガスが拡散でしか供給されなくなり燃料極３での消費燃料ガス量を賄えなくなり燃料ガス欠乏の恐れがある。しかし本実施の形態では逆流防止判断基準が成立するとステップ３として燃料オフガス調整手段１１ａを閉じると共に不活性ガス調整手段６２ａと酸化剤オフガス調整手段１４ａを閉じる。この結果、酸化剤極４で発生した水素は排気されず水素分圧が上昇するため燃料極３での水素消費量は減少し燃料極３での燃料ガス欠乏を防止できる。酸化剤極４の水素分圧が燃料極３の水素分圧と等しくなれば燃料極３での水素消費が終わるため、ステップ４で燃料ガス調整手段１０ａを閉じれば、燃料電池スタック１の燃料極３、酸化剤極４は水素含有ガスで満たされ密閉され停止保管されることになる。
【００７８】
燃料電池システムの停止操作時に酸化剤極４の不活性パージを本実施の形態で示したタイミングで開始、終了すれば酸化剤極４の連通空間の残留酸素の除去を早く確実に行うことができるため改質器６への原燃料供給停止を早くでき改質器６の異常温度上昇を防止でき、また酸化剤極４のパージに依る水素排気を押さえ燃料極３の燃料ガス欠乏も防ぐことができる。この結果、より信頼性の高い燃料電池発電システムが得られる効果がある。
【００７９】
なお、本実施の形態では酸化剤極４の不活性ガスパージの停止をステップ３で燃料オフガス調整手段１１ａを閉じるのと同時に行っているが、必ずしも同時に行う必要はない。酸化剤極４の連通空間の残留酸素が除去されれば、逆流防止判断基準が成立するまで酸化剤極４の不活性ガスパージの停止を待つ必要はない。逆に逆流防止判断基準が成立したら、必ず酸化剤極４の不活性ガスパージは終了する必要がある。すなわち、燃料オフガス調整手段１１ａを閉じる前（逆流防止判断基準が成立する前）に、酸化剤極４の残留酸素の有無に拘わらず酸化剤極４の不活性ガスパージを停止する必要がある。
【００８０】
また、本実施の形態においては、ステップ３で不活性ガスのパージを終了するときに酸化剤オフガス調整手段１４ａも閉じて酸化剤極４を密閉しているが、このため、酸化剤極４で発生する水素によって酸化剤極４のガス圧は上昇する。このガス圧力の上昇が酸化剤極４のシール部に悪影響を与える場合には、酸化剤極４のガス圧が許容圧以上になったらスイッチ１５をオフにして燃料電池スタック１の出力を開放することにより、酸化剤極４での水素の発生を停止させてもよい。その後は、停止操作および保管時に、酸化剤極４連の水素が消費されるか、または温度低下により酸化剤極４のガス圧が許容圧以下になったときに、再びスイッチ１５をオンにして酸化剤極４で水素を発生させればよい。このような動作を行うには、負荷としては電力変換器１６よりも、図３に示すような保管抵抗装置の方が好ましい。
【００８１】
さらに図８は、本実施の形態における、別の停止の手順を示した工程図である。図８に示すように、ステップ３における不活性ガスのパージの終了時に不活性ガス調整手段６２ａを閉とし、酸化剤オフガス調整手段１４ａは開状態を維持しておく。次に、酸化剤極４の水素分圧が燃料極３の水素分圧と等しくなったときに、ステップ４へ進み、このステップ４のときに酸化剤オフガス調整手段１４ａを閉じてもよい。燃料極３と酸化剤極４の水素分圧差はそれぞれの極の水素濃度を測定してもよいが、水素濃度差による水素濃淡起電力から判断してもよい。具体的には前に述べたように燃料電池スタック１の出力電圧がほぼゼロの条件から検出できる。または、予め不活性ガスパージ終了後に酸化剤極４の水素濃度が燃料極３と同じになるまでの時間を実験的に求めておき、不活性ガスパージ終了後の経過時間で判断してもよい。このようにすると、酸化剤極４で水素が発生しても酸化剤オフガス調整手段１４ａが開いているため酸化剤極４の不活性ガスが水素に置換され酸化剤極４の全ガス圧は上昇しない。酸化剤極４の水素分圧が燃料極３の水素分圧と等しくなったときに、酸化剤オフガス調整手段１４ａを閉じても、両極の水素分圧は等しいので酸化剤極４での水素発生はなく、酸化剤極４のガス圧の上昇は起こらない。
【００８２】
なお、本実施の形態においては、不活性ガスとして窒素を用いたが、燃料電池スタックの構成物や配管材料などと反応しない不活性ガスであれば、二酸化炭素、希ガス、水蒸気などを用いることもできる。
【００８３】
実施の形態５．
実施の形態４においては、酸化剤極４が完全に不活性ガスに置換されたかどうかに関係なく燃料極３で燃料ガスの欠乏が起きないように、酸化剤極４の不活性ガスのパージを終了する例を示したが、本実施の形態は酸化剤極４の不活性ガスのパージを完全に行い、かつ改質器６の温度上昇を最小限に抑えるようにしたものである。本実施の形態における燃料電池発電システムは、実施の形態４と同様の構成である。ただし、制御手段１９は、タイマーを備えている。通常の発電運転時の動作は、実施の形態１と同様であるので省略する。
【００８４】
図９は、本実施の形態における、燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。まずステップ１として、酸化剤ガス調整手段１３ａを閉じて酸化剤極４への酸化剤ガスの供給を停止し、制御手段１９のタイマーをｔ＝０に設定する。これと同時に、不活性ガス調整手段６２ａを開けて酸化剤極４への不活性ガスパージを開始する。
【００８５】
次に、ステップ２として制御手段１９のタイマーがｔ＝ｔ１になったときに改質器６への原料供給を停止する。このために原燃料調整手段８ａを閉じる。また原料供給手段５ａおよび原料水供給手段５ｂも停止する。ここで、ｔ１≧Ｔ３−Ｔ１であり、Ｔ１は、改質器６への原燃料供給を停止してから逆流防止判断基準が成立するまでの時間である。Ｔ３は、酸化剤極４に不活性ガスのパージを開始してから酸化剤極４の残留酸素が除去されるまでの時間であり、Ｔ１およびＴ３は、あらかじめ実験的に求めておく。ステップ２において、改質器６への原燃料の供給を停止したために、改質器６から燃料極３へ供給される燃料ガスは徐々に減少していくが、逆流防止判断基準が成立するまでは流れにより燃料極３に燃料ガスは供給される。一方、不活性ガスでパージされた酸化剤極４の酸素は減少を続け、酸化剤極４が不活性ガスのみとなると、水素濃淡電池反応により酸化剤極４で水素発生が開始される。この状態で酸化剤極４への不活性ガスのパージを継続すると、酸化剤極４の水素濃度は、不活性ガスのパージでほとんど上昇しないために燃料極３から酸化剤極４への水素移動は継続する。すなわち酸化剤極４の不活性ガスパージを行っている間は燃料極３の水素消費はなくならない。この状態で改質器６の燃焼バーナ部から燃料極３への空気の逆流を防止するため燃料オフガス調整手段１１ａが閉じられると、燃料極３への燃料ガス供給は拡散供給となり供給量は微少となり燃料極３での燃料ガスの欠乏の生じる恐れがある。これを防止するため、本実施の形態ではステップ３として、酸化剤極４の残留酸素が消費除去される時刻、すなわちタイマーｔ＝Ｔ３で酸化剤極４への不活性ガスのパージを終了させる。このために、不活性ガス供給手段６１を停止し、不活性ガス調整手段６２ａと酸化剤オフガス調整手段１４ａとを閉じる。燃料極３への燃料ガス供給が拡散供給と成る時刻、すなわち逆流防止判断基準が成立し燃料オフガス調整手段１１ａを閉じる時刻は改質器６への原燃料供給停止（ｔ＝ｔ１）からＴ１時間後である。すなわちｔ＝ｔ１＋Ｔ１≧（Ｔ３−Ｔ１）＋Ｔ１＝Ｔ３となり、逆流防止判断基準が成立する時刻はｔ≧Ｔ３である。したがって、ｔ＝Ｔ３で酸化剤極４の不活性ガスパージを停止すれば燃料極３の燃料ガス欠乏を防止することができる。
【００８６】
ステップ３で酸化剤極４の不活性ガスのパージを終了する時点で酸化剤極４の不活性ガス置換が完了しているため、ステップ３以降酸化剤極４で水素発生が始まり酸化剤極４での水素分圧が上昇する。この結果、両極の水素分圧差が少なくなるために、燃料極３から酸化剤極４への水素移動、すなわち燃料極３の水素消費量は減少する。
【００８７】
次に、逆流防止判断基準が成立した時点でステップ４へ進み、燃料オフガス調整手段１１ａを閉じる。この結果、燃料極３への燃料ガス供給は拡散供給と成り供給量は微少になるが、酸化剤極４の不活性ガスパージは既に終了しているため燃料極３の消費水素量も微少であり、燃料極３の燃料ガス欠乏は起こらない。次に、ステップ５として、燃料ガス調整手段１０ａを閉じる。燃料ガス調整手段１０ａを閉じるタイミングは前記実施の形態と同様である。ステップ５で燃料極３、酸化剤極４は水素含有ガスで満たされ密閉される。ステップ６で負荷装置１７やその他の補機を停止し燃料電池発電システムの停止操作を終える。
【００８８】
このように構成された燃料電池発電システムの制御方法においては、停止時において、逆流防止判断基準が成立する時点では、必ず酸化剤極４の酸素は不活性ガスで排気されており、不活性ガスによる置換は完了している。本実施の形態ではステップ２において、改質器６への原燃料の供給停止のタイミングをｔ１≧Ｔ３−Ｔ１としているが、ｔ１＝Ｔ３−Ｔ１とすれば、ステップ３における酸化剤極４への不活性ガスのパージの完了、すなわち酸素の除去の完了と同時に、逆流防止判断基準が成立しステップ４を行うことになる。このようにすると、少なくとも酸化剤極４への不活性ガスのパージ中は、逆流防止判断基準が成立することはなく燃料オフガス調整手段１１ａは開状態を保つため燃料極３への燃料ガスの供給は流れにより充分供給される。この結果燃料極３での燃料ガスの欠乏が起きる恐れはなく、また改質器６への過剰な燃料オフガスの供給時間は最短となり、改質器６の温度上昇を最も低く抑えることができる。
【００８９】
改質器６への原燃料の供給停止のタイミングを遅らせることにより（例えば、ｔ１＝（Ｔ３−Ｔ１）＋α＞Ｔ３−Ｔ１とする）、酸化剤極４への不活性ガスのパージ中は燃料極３への燃料ガス供給量はより多く維持されるため、燃料ガス欠乏に対する防止効果は高まるが、酸化剤極４の酸化剤ガス供給停止から改質器６への原燃料供給時間がα時間だけ長くなり、この結果改質器６への過剰な燃料オフガスの供給時間も長くなるため改質器６の温度上昇は大きくなる。ステップ２の開始時刻を（Ｔ３−Ｔ１）よりどの程度（α）遅らせるかは、燃料極３の燃料ガス欠乏に対する耐性と改質器６への原燃料供給停止後の燃料極３への供給可能な燃料ガス量および改質器６の許容温度上昇とに依存するため、実験的に決める必要がある。
【００９０】
また、酸化剤極４への不活性ガスのパージ開始から酸化剤４の酸素が除去されるまでの時間Ｔ３を実験的に求めるには、酸化剤極４の酸素がなくなる時点の検出が必要であるが、その検出には、例えば酸化剤極４の酸素濃度が下がると燃料電池スタック１の出力電圧が下がることを利用してもよいし、不活性ガスのパージ中の酸化剤極４からの酸化剤オフガス中の酸素濃度値あるいは水素濃度値を利用してもよい。さらには、パージする不活性ガスの全流量が酸化剤極４の容積を上回った時点を、酸化剤極４からの酸素が排気された時点としてもよい。
【００９１】
以上のように、本実施の形態では、実施の形態４に比べて、より確実に酸化剤極４の連通空間に残留する酸素の排気除去が行えるので、停止保管に伴う両極の触媒劣化を抑え、かつ改質器の異常温度上昇を抑える効果が更に向上する。
【００９２】
実施の形態６．
実施の形態５においては、停止操作中に燃料電池スタック１の出力電圧が０になるまで、燃料電池発電スタックからの電力を電力変換器１６で消費する例を示したが、酸化剤極４への不活性ガスのパージ期間中は燃料電池スタック１の出力を開放してもよい。
【００９３】
図１０は、実施の形態６における、燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。本実施の形態における燃料電池発電システムは、実施の形態５と同様の構成である。また、通常の発電運転時の動作は、実施の形態１と同様であるので省略する。
【００９４】
まず始めに、ステップ１において、燃料電池スタック１の出力を開放するために負荷装置の１７のスイッチ１５をオフにする。次に、ステップ２において、酸化剤ガス調整手段１３ａを閉じて酸化剤極４への酸化剤ガスの供給の停止し、不活性ガス調整手段６２ａを開けて酸化剤極４への不活性ガスのパージを開始する。このとき、燃料電池スタック１の出力は開放されているために、酸化剤極４では発電反応は起こらず、不活性ガスのパージによって酸化剤極４から酸化剤ガスが酸化剤オフガス排気経路１４を経由して系外に排気される。また、酸化剤極４の酸化剤ガスがなくなっても、燃料電池スタック１の出力が開放されているため、燃料極３から酸化剤極４へ電気化学的な水素移動は起こらず、燃料極３の水素消費は起こらない。次に、ステップ３において、原燃料調整手段８ａを閉じて改質器６への原燃料の供給を停止する。燃料極３の燃料ガスのガス圧が逆流防止判断基準として設定値以下になった時点でステップ４へ進み、不活性ガス調整手段６２ａと酸化剤オフガス調整手段１４ａとを閉じて酸化剤極４への不活性ガスのパージを終了する。この段階で、酸化剤極４は不活性ガスに置換されている。次に、ステップ５において、燃料電池スタック１の出力を電力変換器１６に接続するために、スイッチ１５をオンにする。この結果、燃料極３から酸化剤極４へ水素が電気化学的に移動し、両極の水素分圧が等しくなる。その後、ステップ６において、燃料ガス調整手段１０ａを閉め、さらにステップ７として、他の補機類を停止し燃料電池発電システムを停止保管する。
【００９５】
このように構成された燃料電池発電システムの制御方法においては、燃料電池スタック１の出力を酸化剤極４への不活性ガスのパージ期間だけ開放してパージ終了後に電力変換器１６に接続するので、窒素パージ中には、酸化剤極４の酸素を消費除去するために燃料極３の燃料ガスを酸化剤極４へ移動しないので、燃料極３の燃料ガスの欠乏をさらに防ぐことができる。この結果、停止操作時に必要な燃料ガス量が減るために、ステップ３における改質器６への原燃料の供給を早く停止でき、改質器６の温度上昇をより低く抑えることができる。
【００９６】
なお、本実施の形態においては、燃料電池スタック１の出力を負荷装置１７に接続する例を示したが、図３に示すような保管抵抗装置に接続して同様な停止の工程を行っても同様な効果がある。
【００９７】
実施の形態７．
図１１は、実施の形態７における、燃料電池発電システムの構成を示した模式図である。図１１において、本実施の形態における燃料電池発電システムは、実施の形態５と同様の構成であるが、抵抗値がほぼ０の抵抗７１およびスイッチ７２を直列に接続した短絡回路７３が、負荷装置１７および保管抵抗装置３３に並列に接続されている。また、通常の発電運転時は、燃料電池スタック１の出力は電力変換器１６で消費されるように、スイッチ１５がオンで、スイッチ３１とスイッチ７２とはオフになっている。これ以外の発電運転時の動作は実施の形態１と同様であるので省略する。図１２は、実施の形態７における、燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。
【００９８】
停止時の動作について、図１２に基づいて説明する。停止操作のステップ１からステップ４までの停止操作は、実施の形態１と同様であるので省略するが、停止操作開始時に、並列ステップも同時に開始する。並列ステップにおいては、燃料電池スタック１の出力電圧が設定値以下になった時に、負荷装置１７のスイッチ１５をオフにして、同時に短絡回路７３のイッチ７２をオンにして燃料電池スタック１の出力を抵抗７１に接続する。このときの出力電圧の設定値は、燃料電池スタック１の出力を短絡回路７３に接続しても燃料極４で燃料ガスの欠乏が起きず、また短絡回路７３で安全に流せる電流値からあらかじめ実験で測定して決めておく。
【００９９】
このような並列ステップを行うことで、停止保管時の燃料電池スタック１の燃料極３および酸化剤極４は水素含有ガスで満たされ閉め切られており、かつ燃料電池スタック１の出力はほぼ抵抗０の短絡回路７３で短絡された状態となる。このため、停止保管中に何らかの理由で、燃料極３あるいは酸化剤極４の一方の極に大気中の酸素が侵入して水素が消費されて両極の水素分圧に差ができた場合でも、両極管間の水素の移動が迅速に起こり、両極を水素雰囲気に保つことが容易になる。
【０１００】
本実施の形態では燃料電池スタック１の出力を抵抗７１に接続するために並列ステップを用いたが、次のように制御してもよい。燃料極３での燃料ガスの欠乏を招かずに安全に燃料電池スタック１の出力を短絡するためには、燃料電池スタック１の出力電圧がほぼ０である必要があり、これは少なくとも酸化剤極４の酸素濃度が低い状態に維持されている必要がある。この状態は、ステップ１以降に実現されるため、あらかじめ、ステップ１からステップ４の中で、どのステップのときにこのような条件になるかを実験的に調べておき、そのステップに続けて燃料電池のスタック１の出力を短絡してもよい。
【０１０１】
本実施の形態においては、酸化剤極４での酸素の消費除去に酸化剤極４への不活性ガスのパージを利用していない例を示したが、酸化剤極４への不活性ガスのパージを利用してもよい。その場合、燃料電池スタック１の出力を短絡するタイミングは、不活性ガスのパージ終了後にする必要がある。なぜなら、不活性ガスのパージ中に酸化剤極４の酸素がなくなり燃料電池スタック１の出力電圧が下がったときに燃料電池スタック１の出力を短絡すると、燃料極３から酸化剤極４へ大量の水素の電気化学的移動が起こり、燃料極３で燃料ガスの欠乏が起こる恐れがあり、これを防ぐためである。
【０１０２】
また、燃料電池スタック１の出力を、電力変換器１６あるいは抵抗３２から抵抗７１に切り換えるときには、一旦燃料電池スタック１の出力を開放して短時間維持し、その後に抵抗７１に接続することが望ましい。電力変換器１６に接続されているときは、そのときに流れる電流に応じて燃料極３の触媒で水素が消費されており、このときの燃料極３の中での水素の分布を微視的に見た場合、触媒の近傍の水素濃度は触媒より離れた空間の水素濃度より低くなっている。燃料電池スタック１の出力を、電力変換器１６からすぐに抵抗７１に接続を切り換えると、抵抗７１の抵抗値はほぼ０であるため、抵抗７１に接続した瞬間に燃料極３の触媒の表面近傍に存在する水素が短時間で消費される。このときの水素が消費される時間は、触媒から離れた空間に存在する水素が触媒表面まで拡散してくる時間より早いために、瞬間的に触媒が水素欠乏（燃料ガスの欠乏）になる。これを避けるために、燃料電池スタック１の出力を、電力変換器１６あるいは抵抗３２から抵抗７１に切り換えるときには、一旦燃料電池スタック１の出力を開放して触媒での水素消費を停止して、燃料極３の触媒近傍の水素濃度が拡散で回復するまでの時間保持することが望ましい。
【０１０３】
実施の形態８．
実施の形態１〜７で示した燃料電池発電システムにおいては、改質器の異常温度上昇を抑え、かつ停止保管に伴う触媒電極の劣化を防止することができるが、停止操作時の改質器の異常温度上昇を確実に防ぐための保護操作があればより確実な効果が得られる。実施の形態８では、実施の形態１〜７で示した停止操作のための制御とは独立に、保護操作を行う手段を制御装手段に備えたものである。本実施の形態における燃料電池発電システムは、実施の形態１と同様の構成である。また、通常の発電運転時の動作は実施の形態１と同様であるので省略する。
【０１０４】
図１３は、本実施の形態における燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。停止時の動作について、図１３に基づいて説明する。停止操作のステップ１からステップ５までの停止操作は、実施の形態１と同様であるので省略するが、停止操作開始時に、保護操作も同時に開始する。保護操作においては、改質器６の温度が監視されており、何らかの理由で改質器６の温度が設定温度を超えた場合には、直ちに警報を発してステップ３へ移行する。
【０１０５】
このような保護操作を備えることにより、停止操作中に予期しない障害などにより改質器６が異常温度上昇を起こしても改質器６への原燃料の供給を停止して、改質器６の熱損傷を防ぐことができる。この結果、信頼性の高い燃料電池発電システムが得られる効果がある。
【０１０６】
なお、本実施の形態においては、改質器の温度を直接監視しているが、ステップ１の酸化剤極４への酸化剤ガスの供給停止から改質器６への原燃料の供給停止までの経過時間が、あらかじめ正常の運転時の測定に基づいて決定された設定値以上になったことで異常を検出してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】実施の形態１における燃料電池発電システムの模式図である。
【図２】実施の形態１における燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。
【図３】実施の形態１における燃料電池発電システムの模式図である。
【図４】実施の形態２における燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。
【図５】実施の形態３における燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。
【図６】実施の形態４における燃料電池発電システムの模式図である。
【図７】実施の形態４における燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。
【図８】実施の形態４における燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。
【図９】実施の形態５における燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。
【図１０】実施の形態６における燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。
【図１１】実施の形態７における燃料電池発電システムの模式図である。
【図１２】実施の形態７における燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。
【図１３】実施の形態８における燃料電池発電システムの停止の手順を示した工程図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１  燃料電池スタック、  ２  電解質膜、  ３  燃料極、  ３ａ  燃料ガス供給孔、  ３ｂ  燃料オフガス排気孔、  ３ｃ、４ｃ  出力端子、３ｄ  ガス圧計、  ４  酸化剤極、  ４ａ  酸化剤ガス供給孔、  ４ｂ  酸化剤オフガス排気孔、  ５  原燃料供給手段、  ５ａ  エネルギー原料供給手段、  ５ｂ  原料水供給手段、  ６  改質器、  ６ａ  原燃料供給孔、  ６ｂ  バーナ起動用エネルギー原料供給孔、  ６ｃ  燃料ガス出力孔、  ６ｄ  燃料オフガス供給孔、  ７  燃焼用空気ブロア、  ８  原燃料供給経路、  ８ａ  原燃料調整手段、  ９  バーナ起動用エネルギー原料供給経路、  ９ａ  バーナ起動用エネルギー原料調整手段、  １０  燃料ガス供給経路、  １０ａ  燃料ガス調整手段、  １１  燃料オフガス排気経路、  １１ａ  燃料オフガス調整手段、  １２  酸化剤ガス供給手段、  １３  酸化剤ガス供給経路、  １３ａ  酸化剤ガス調整手段、  １４  酸化剤オフガス排気経路、  １４ａ  酸化剤オフガス調整手段、  １５  スイッチ、  １６  電力変換器、  １７  負荷装置、  １８  外部負荷、  １９  制御手段、  ３１  スイッチ、  ３２  抵抗、  ３３  保管抵抗装置、６１  不活性ガス供給手段、  ６２  不活性ガス供給経路、  ６２ａ  不活性ガス調整手段、  ７１  抵抗、  ７２  スイッチ、  ７３  短絡回路
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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