(57)【要約】【課題】停止時における燃料電池触媒の劣化を低減し、燃料電池特性の劣化を低減させることができる燃料電池制御システムおよび燃料電池停止方法を提供する。【解決手段】ＰＢＩ−リン酸形燃料電池の燃料電池制御システム１００は、燃料電池スタック１、インバータ２、燃料改質部３、燃焼部４、測温部５、ヒータ６、ラジエータ７、負荷解除部１０、および制御部３１を備える。燃料電池スタック１は、リン酸含浸塩基性ポリマーの電解質層と、電解質層を挟み配置されたアノードおよびカソードを含む。測温部５は、燃料電池スタック１の温度を測定する。ヒータ６は、燃料電池スタック１の温度を昇温させる。ラジエータ７は、燃料電池スタック１を冷却する。負荷解除部１０は、燃料電池スタック１と接続された負荷接続回路を開く。制御部３１は、燃料電池スタック１の温度が所定の値以下になった後に、負荷解除部１０を制御する。【選択図】図１
2012174673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リン酸含浸塩基性ポリマーの電解質層と、該電解質層を挟み配置されたアノードおよびカソードを含む燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記アノードへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池スタックの前記カソードへ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記燃料電池スタックの前記アノードおよび／または前記カソードへパージガスを供給するパージガス供給路と、
前記燃料電池スタックの温度を降下させる降温装置と、
前記燃料電池スタックの温度を測定する測温装置と、
前記燃料電池スタックと接続された負荷接続回路を開く負荷解除機構と、
前記燃料電池スタックの運転を停止する場合に、前記測温装置で測定した前記燃料電池スタックの温度が所定の値以下になった後に前記負荷解除機構を制御する制御機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池制御システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの温度の所定の値は、摂氏１００度を超え、該燃料電池スタックの運転制御を行う温度未満であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池制御システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの温度の所定の値は、摂氏１００度を超え、摂氏１２０度未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池制御システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの運転を停止する場合に、前記測温装置で測定した前記燃料電池スタックの温度が所定の値以下になった後に、前記燃料電池スタックの前記アノードおよび／または前記カソードへ供給するガスをパージガスに切り替えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池制御システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックの温度を降下させる降温装置は、該燃料電池スタックの冷却を行う冷却装置の作動であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池制御システム。
【請求項６】
前記リン酸含浸塩基性ポリマーは、リン酸含浸ポリベンズイミダゾールであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料電池制御システム。
【請求項７】
リン酸含浸塩基性ポリマー電極を有する燃料電池スタックを備える燃料電池制御システムの燃料電池停止方法であって、
前記燃料電池スタックの温度を降下させる降温工程と、
前記燃料電池スタックの温度が所定の値以下になった後に、該燃料電池スタックと接続された負荷接続回路を開く負荷解除工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池停止方法。
【請求項８】
前記負荷解除工程の前記燃料電池スタックの温度の所定の値は、摂氏１００度を超え、該燃料電池スタックの運転制御を行う温度未満であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池停止方法。
【請求項９】
前記負荷解除工程の前記燃料電池スタックの温度の所定の値は、摂氏１００度を超え、摂氏１２０度未満であることを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池停止方法。
【請求項１０】
前記降温工程後であって、前記燃料電池スタックの温度が所定の値以下になった後に、前記燃料電池スタックのアノードおよび／またはカソードへ供給するガスをパージガスに切り替える工程を備えることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の燃料電池停止方法。
【請求項１１】
前記降温工程は、前記燃料電池スタックの冷却を行う冷却装置を作動させる工程を備えることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の燃料電池停止方法。
【請求項１２】
前記リン酸含浸塩基性ポリマー電極は、リン酸含浸ポリベンズイミダゾール電極であることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１項に記載の燃料電池停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池制御システムおよび燃料電池停止方法に関する。より詳しくは、リン酸含浸塩基性ポリマーを電解質層に用いる燃料電池の燃料電池制御システムおよび燃料電池停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell、ＳＯＦＣ）またはリン酸形燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell、ＰＡＦＣ）等、電極仕様の異なった方式がある。
【０００３】
また、ＰＥＦＣとＰＡＦＣの中間的な電極を使用する燃料電池が開発されている。例えば、電解質材料としてポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）樹脂にリン酸を含浸させた材料を利用する、ＰＢＩ−リン酸電極を用いた燃料電池が挙げられる。
【０００４】
リン酸形燃料電池をはじめとする多くの燃料電池では、運転停止時における燃料電池の劣化が問題となることが多く、その対策が行われている。例えば、リン酸形燃料電池システムとして、燃料電池発電装置のカソード極側に不活性ガスを導入・排出するラインを備え、空気と共にパージすることでパージに必要なガス量の低減を図りつつ、燃料電池の負荷運転停止に起因する電池特性の劣化を抑制するシステムが、特許文献１に記載されている。
【０００５】
また、燃料電池の運転停止時に、ダミー負荷を放電抵抗と切り替えて燃料電池の電力を消費し、その後に燃料電池停止動作を行うことで、燃料電池の劣化を防止することが、特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−４５３５１号公報
【特許文献２】特開平２−１２６５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池は、正電極と負電極の間に電解質膜を備えており、電解質膜に接する部分に触媒が用いられている。関連する技術においては、運転停止時に燃料電池スタック内のガスをパージしたり、放電したりするなどして燃料電池特性の劣化防止対策がなされてはいたが、燃料電池が高温状態にあるため、燃料電池触媒の劣化が生じていた。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、停止時における燃料電池触媒の劣化を低減し、燃料電池特性の劣化を低減させることができる燃料電池制御システムおよび燃料電池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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る燃料電池制御システムは、リン酸含浸塩基性ポリマーの電解質層と、該電解質層を挟み配置されたアノードおよびカソードを含む燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの前記アノードへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料電池スタックの前記カソードへ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池スタックの前記アノードおよび／または前記カソードへパージガスを供給するパージガス供給路と、前記燃料電池スタックの温度を降下させる降温装置と、前記燃料電池スタックの温度を測定する測温装置と、前記燃料電池スタックと接続された負荷接続回路を開く負荷解除機構と、前記燃料電池スタックの運転を停止する場合に、前記測温装置で測定した前記燃料電池スタックの温度が所定の値以下になった後に前記負荷解除機構を制御する制御機構と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
前記燃料電池スタックの温度の所定の値は、摂氏１００度を超え、該燃料電池スタックの運転制御を行う温度未満であることが好ましい。
【００１１】
前記燃料電池スタックの温度の所定の値は、摂氏１００度を超え、摂氏１２０度未満であることがより好ましい。
【００１２】
また、前記燃料電池スタックの運転を停止する場合に、前記測温装置で測定した前記燃料電池スタックの温度が所定の値以下になった後に、前記燃料電池スタックの前記アノードおよび／または前記カソードへ供給するガスをパージガスに切り替えることが好ましい。
【００１３】
また、前記燃料電池スタックの温度を降下させる降温装置は、該燃料電池スタックの冷却を行う冷却装置の作動であることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記リン酸含浸塩基性ポリマーは、リン酸含浸ポリベンズイミダゾールであることが好ましい。
【００１５】
本発明の第２の観点に係る燃料電池停止方法は、リン酸含浸塩基性ポリマー電極を有する燃料電池スタックを備える燃料電池制御システムの燃料電池停止方法であって、前記燃料電池スタックの温度を降下させる降温工程と、前記燃料電池スタックの温度が所定の値以下になった後に、該燃料電池スタックと接続された負荷接続回路を開く負荷解除工程と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
前記負荷解除工程の前記燃料電池スタックの温度の所定の値は、摂氏１００度を超え、該燃料電池スタックの運転制御を行う温度未満であることが好ましい。
【００１７】
前記負荷解除工程の前記燃料電池スタックの温度の所定の値は、摂氏１００度を超え、摂氏１２０度未満であることがより好ましい。
【００１８】
また、前記降温工程後であって、前記燃料電池スタックの温度が所定の値以下になった後に、前記燃料電池スタックのアノードおよび／またはカソードへ供給するガスをパージガスに切り替える工程を備えることが好ましい。
【００１９】
また、前記降温工程は、前記燃料電池スタックの冷却を行う冷却装置を作動させる工程を備えることが好ましい。
【００２０】
さらに、前記リン酸含浸塩基性ポリマー電極は、リン酸含浸ポリベンズイミダゾール電極であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、停止時における燃料電池触媒の劣化を低減し、燃料電池特性の劣化を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池制御システムの一例を示す構成概略図である。
【図２】燃料電池スタックの一例を示す構成斜視図である。
【図３】燃料電池スタックの部分（セル）の一例を示す構成斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る燃料電池制御システムの燃料電池停止動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態に係る燃料電池制御システムの燃料電池停止動作における温度および電圧を示す図である。
【図６】燃料電池停止動作における温度と電圧低下量の関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態の変形例に係る燃料電池制御システムの一例を示す構成概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明に係る燃料電池制御システムおよび燃料電池停止方法について詳細に説明する。なお、本明細書において「有する」、「含む」または「備える」といった表現は、「からなる」または「から構成される」という意も含むものとする。
【００２４】
なお、本発明に係る燃料電池制御システムに用いる燃料ガスは、都市ガス１３Ａ（天然ガスまたはプロパンガス）を使用するものとする。また、原料ガスとして用いる燃料ガスを原燃料ガスといい、改質した燃料ガスを改質ガスという。
【００２５】
本発明の実施の形態は、燃料電池制御システムに関する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池制御システムの一例を示す構成概略図である。
【００２６】
運転中の燃料電池制御システム１００は、本体である燃料電池スタック１のアノードへ水素を含む燃料ガス、すなわち改質ガスが供給され、また、カソードへ酸素を含む酸化剤ガスが供給される。そして、アノードの水素とカソードの酸素によって、電解質膜を通して燃料電池スタック１に起電力が生じ、発電する仕組みである。
【００２７】
燃料電池スタック１は、中温領域電解質膜であるＰＢＩ−リン酸形燃料電池を用いており、摂氏１２０度ないし摂氏２００度で運転する。より好ましくは、摂氏１５０度ないし摂氏１８０度程度で運転する。
【００２８】
本発明に係る実施の形態の燃料電池制御システムにおける燃料電池スタックの基本的な構成要素については、例えば、当該技術分野において公知の構成要素を用いることができる。先に、燃料電池スタック１の内部の詳細について図面を用いて説明する。
【００２９】
図２は、燃料電池スタックの一例を示す構成斜視図である。燃料電池スタック１は、多数のセル１１が積層されたような構造となっている。なお、理解しやすいよう、図２では燃料電池スタック１の周囲の囲いは図示していない。図３は、燃料電池スタックの部分（セル）の一例を示す構成斜視図である。図３に示すように、セル１１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、ＭＥＡ）１２を、アノード側セパレータ１３とカソード側セパレータ１４とで挟んで貼り合わせたような構造となっている。
【００３０】
アノード側セパレータ１３およびカソード側セパレータ１４には、図３に示すように、燃料ガス流路１５および酸化剤ガス流路１６が形成されている。膜電極接合体１２は、リン酸を含浸したイオン伝導性を有する電解質膜２１と、アノード触媒層２２と、カソード触媒層２３と、アノードガス拡散層２４と、カソードガス拡散層２５とから構成されている。
【００３１】
電解質膜２１は、リン酸を含浸する塩基性ポリマーであって、例えばリン酸含浸ポリベンズイミダゾールなどをいう。電解質膜２１にリン酸含浸ポリベンズイミダゾールを用いることで、燃料電池制御システム１００の運転温度を、摂氏１２０度ないし摂氏２２０の範囲で運転することが可能となる。図２および図３に示す燃料電池スタック１およびセル１１を構成する材料については、当該技術分野において公知である材料を用いることが可能である。なお、膜電極接合体１２の電極部分には、アイオノマーとして、リン酸含浸塩基性ポリマーを含む。
【００３２】
塩基性ポリマーとしては、当該技術分野にて一般に使用される、少なくとも一つの窒素原子を有するポリマー、特に主鎖および／または側鎖に一つの窒素原子を有するポリマーが挙げられる。このような塩基性ポリマーは、繰返し単位に少なくとも一つの窒素原子を有するポリマーであることが好ましく、繰返し単位に少なくとも一つの窒素原子を有する芳香環（特に５員環または６員環）を含有するポリマーであることがさらに好ましい。なお、１つの窒素原子を有する繰返し単位に加えて、窒素原子を有さない繰返し単位も含むコポリマーを使用することも可能である。
【００３３】
具体的には、例えば、ポリベンズイミダゾール類、ポリ（ピリジン類）、ポリ（ピリミジン類）、ポリイミダゾール類、ポリベンゾチアゾール類、ポリベンゾオキサゾール類、ポリオキサジアゾール類、ポリキノリン類、ポリキノキサリン類、ポリチアジアゾール類、ポリ（テトラザピレン類）、ポリオキサゾール類、ポリチアゾール類、ポリビニルピリジン類またはポリビニルイミダゾール類等を挙げることができる。このうち最も好ましい塩基性ポリマーは、ポリベンズイミダゾール類である。
【００３４】
また、図２および図３においては、理解しやすいよう、燃料ガス流路１５および酸化剤ガス流路１６がそれぞれ各セル１１において直交に、かつ直線に流れる場合の斜視図を示しているが、蛇行流路（サーペンタイン）で流れる場合、燃料ガス（改質ガス）および酸化剤ガスがそれぞれ下から上へまたは上から下へ流れる場合、または、その逆に流れる場合等、どのような流路でも構わない。
【００３５】
以下、図１を用いて、本発明に係る実施の形態の燃料電池制御システムについて詳細に説明する。燃料電池制御システムにおける基本的な構成要素については、例えば、当該技術分野において公知の構成要素を用いることができる。
【００３６】
燃料電池制御システム１００は、中温領域電解質膜であるＰＢＩ−リン酸形燃料電池の燃料電池スタック１を備え、摂氏１２０度ないし摂氏２００度で運転する。より好ましくは、摂氏１５０度ないし摂氏１８０度程度で運転する。
【００３７】
燃料電池制御システム１００は、燃料電池スタック１、インバータ２、燃料改質部３、燃焼部（バーナ）４、測温部５、ヒータ６、ラジエータ７、負荷解除部１０および制御部３１を備える。また、燃料電池制御システム１００は、複数のポンプ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４およびＰ５を総称してポンプＰｎとする）、複数のバルブ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４およびＶ５を総称してバルブＶｎとする）、上述の各機能部とポンプＰｎおよび／またはバルブＶｎを連通する流路（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５およびその他の供給路）を備える。
【００３８】
制御部３１は、ポンプＰｎおよびバルブＶｎを制御することにより、各機能部へ所定のガスや水の供給を制御し、また、各機能部を制御する。バルブＶｎを制御するとは、ポンプＰｎと各機能部を連通する流路にあるバルブＶｎの開閉を指す。
【００３９】
燃料電池制御システム１００の運転について、一般的な動作を説明する。燃料電池制御システム１００は、制御部３１の制御により、まず、水処理装置などで水を処理し、その処理した改質水を、改質水供給ポンプＰ５を介して燃料改質部３へ送る。燃料改質部３では、改質水と原燃料ガスである都市ガス１３Ａを用いて、燃料電池スタック１で用いる水素を含有したガスへと改質し、改質ガスを得る。
【００４０】
燃料改質部３で得た改質ガスは、改質ガス用供給路Ｒ１を通り改質ガス用電磁弁Ｖ１を介して燃料電池スタック１のアノードへ供給される。また、燃料電池スタック１のカソードでは、酸化剤ガス供給ブロワＰ１から酸化剤ガス用供給路Ｒ２を通り酸化剤ガス用電磁弁Ｖ２を介して燃料電池スタック１のカソード電極に酸化剤ガスが供給される。例えば、酸化剤ガスは空気などを用いる。燃料電池制御システム１００の運転開始時に、ヒータ６で燃料電池スタック１を昇温させておく。例えば、ヒータ６で燃料電池スタック１を昇温させる際、燃料電池スタック冷却ポンプＰ４の冷媒を加温する。燃料電池制御システム１００の運転開始時に、燃料電池スタック１を昇温させておくことで、燃料電池スタック１の燃料電池の発電効率の向上に寄与する。
【００４１】
そして、燃料電池スタック１内では、改質ガスと酸化剤ガスとが反応し改質ガスは消費され、熱を生じながら、起電力が生じ発電する。燃料電池制御システム１００の運転中、燃料電池スタック１が所定の温度になると、ヒータ６を止め、今度は燃料電池スタック冷却ポンプＰ４を用いて冷却し、燃料電池スタック１を所定の温度に維持することが好ましい。燃料電池スタック冷却ポンプＰ４は、冷媒に、オイルなどを用いる。運転温度は、摂氏１２０度ないし摂氏２００度とし、摂氏１５０度ないし摂氏１８０度程度で維持することがより好ましい。燃料電池スタック１の温度は、測温部５で測温し、例えば、燃料電池スタック冷却ポンプＰ４の冷媒出口温度の測定を行う。
【００４２】
消費されなかった未反応の改質ガスは、ガス排出路Ｒ４を介して燃焼部４に送られ、オフガス燃焼空気供給ブロワＰ３を介して送られた空気によって燃焼部４で燃焼され、排気される。なお、燃料電池スタック１内で発生した電気は、インバータ２で直流電力から交流電力に電力変換される。
【００４３】
次に、燃料電池制御システム１００の停止について、本発明にかかる動作を説明する。まず制御部３１から、燃料電池制御システム１００の運転停止の指示と共に、燃料電池スタック１の冷却開始の指示が行われる。具体的には、まず、ラジエータ７を稼動し、燃料電池スタック１の冷却を開始する。ここでは冷却装置の一例としてラジエータ７を用いているが、任意に設定可能である。また、ヒータ６が停止され、燃料電池制御システム１００の運転中に稼動させていた燃料電池スタック冷却ポンプＰ４は、そのまま稼動、もしくは稼動を強めて運転が行われてもよい。燃料電池スタック冷却ポンプＰ４の稼動を強めるとは、ポンプを流れる冷媒の流量を増やすこと、および／または流速を上げることをいう。燃料電池スタック冷却ポンプＰ４を停止させていた場合は稼動させてもよい。
【００４４】
燃料電池スタック１は徐々に温度が降下していき、一定時間経過後には所定の温度まで降下する。例えば燃料電池スタック１の運転温度が摂氏１５０度であって、所定の温度を例えば摂氏１１０度とする。所定の温度は、運転温度未満であって、摂氏１００度を超える温度であることが好ましい。摂氏１００度を超えるのは、水素と酸素の結合によって生成した水が凝縮するのを防ぐためである。摂氏１００度以下では、特にカソード側において水が凝縮することで、燃料電池スタック１の膜電極接合体１２のリン酸溶出が生じ、燃料電池スタック１の性能低下を招くおそれがある。
【００４５】
なお、燃料電池スタック１の温度の測定は測温部５で行うが、燃料電池スタック１の温度は表面や冷却ポンプなどで冷却される部分は冷却されやすく、燃料電池スタック１の物体温度がどの箇所においても一定となることはない。したがって、測温部５で測定した結果が摂氏１１０度程度であれば、燃料電池スタック１のどの部分においても摂氏１００度を超えているであろうと推測できることから、概摂氏１１０度とすることが好ましい。また、所定の温度は、少なくとも運転温度より低い温度となるように設定するが、温度は低い方が電圧は降下し、燃料電池スタック１の劣化を低減させることができるため、運転温度の下限値に近い摂氏１２０度よりも低い温度が適当である。よって、摂氏１００度ないし摂氏１２０度の間であって、概摂氏１１０度が好ましい。
【００４６】
なお、燃料電池スタック１の劣化とは、高温かつ高圧で著しく発生し、燃料電池の特性が劣化することをいう。特に、カソード電極側において、カーボンが酸化して起こるカーボンの腐食や、例えば白金の溶解による劣化などの、触媒のシンタリングの発生により、燃料電池触媒の劣化が見られる。
【００４７】
燃料電池スタック１の温度が所定の温度まで降下したら、燃料電池スタック１と接続された負荷接続回路を開くための負荷解除部１０へ制御部３１より指示が送られ、燃料電池スタック１と接続された負荷が切り離される。このとき、燃料電池スタック１と接続しているインバータ２の接続も解除しておく。
【００４８】
また、燃料電池スタック１へ酸化剤ガスの供給を止め、すなわち酸化剤ガス供給ブロワＰ１を停止し、酸化剤ガス用電磁弁Ｖ２を閉じ、酸化剤ガス用流路Ｒ２を塞ぐ。同時に、パージガス用電磁弁Ｖ３を開け、パージガス供給ブロワＰ２を稼動させ、パージガス用供給路Ｒ３を介して、燃料電池スタック１のカソードへパージガスの供給を行う。例えば、パージガスは、不活性ガスを用いる。
【００４９】
上述の、燃料電池スタック１のカソードへ供給するガスを、酸化剤ガスからパージガスへ切り替える際、燃料電池スタック１に電圧の立ち上がりが生じる。この電圧の立ち上がりは、燃料電池スタック１内に、酸化剤ガスや改質ガスが残存しているときに、負荷停止を行った場合に生じる。しかしながら、燃料電池スタック１が所定の温度まで降下し、温度降下に伴い電圧も降下していたことで、燃料電池スタック１が高温高圧状態になるのを抑制でき、燃料電池スタック１の触媒の劣化を低減し、結果として燃料電池スタック１の劣化を低減することができる。
【００５０】
その後、燃料電池スタック１のカソード側に残存していた酸化剤ガスをパージすることで、燃料電池スタック１は徐々に電圧が降下していく。そして、燃料電池スタック１の冷却ポンプＰ４を停止し、燃料電池制御システム１００の全ての機能部を停止させ、燃料電池制御システム１００の停止動作を完了する。
【００５１】
なお、燃料電池スタック１のカソード側の酸化剤ガスをパージする際に、パージガスに用いる不活性ガスが窒素などであれば、ガス排出用電磁弁Ｖ５を介してガス排出路Ｒ５から大気中に排出してもよい。燃料電池スタック１のカソード側の酸化剤ガスをパージする際に、原燃料ガスなどを用いる場合は、ガス排出用電磁弁Ｖ４を介してガス排出路Ｒ４から燃焼部４へ送り、燃焼部４で燃焼する。
【００５２】
燃料電池制御システム１００の停止動作において、燃料電池スタック１のカソードへパージガスの供給の際に、燃料電池スタック１のアノードへ行うガス供給は、改質ガスのままであってよい。改質ガスに含まれる水素が、電解質膜２１中であるリン酸含浸ポリベンズイミダゾールのリン酸中に溶解し拡散し、カソード側の触媒に付着した酸素の除去を促進し、燃料電池スタック１の劣化を低減させる効果を有するためである。
【００５３】
なお、燃料電池制御システム１００の停止動作において、燃料電池スタック１のカソード側へ供給するガスを、酸化剤ガスからパージガスへ切り替えたが、カソード側へ供給するガスを切り替えせずに、燃料電池スタック１のアノード側へ供給するガスを、改質ガスからパージガスへ切り替え、燃料電池制御システム１００の停止動作を完了させてもよい。具体的には、燃料電池スタック１へ改質ガスの供給を止め、すなわち改質ガス用電磁弁Ｖ１を閉じ、改質ガス用流路Ｒ１を塞ぐ。同時に、パージガス用電磁弁Ｖ３を開け、パージガス供給ブロワＰ２を稼動させ、パージガス用供給路Ｒ３を介して、燃料電池スタック１のアノードへパージガスの供給を行う。このとき、改質ガスを得るために開けていた改質水供給ポンプＰ５を閉じ、燃料改質部３を停止させておく。
【００５４】
また、燃料電池制御システム１００の停止動作において、燃料電池スタック１のカソード側へ供給するガスを、酸化剤ガスからパージガスへ切り替えた後に、燃料電池スタック１のアノード側へ供給するガスを、改質ガスからパージガスへ切り替え、すなわち燃料電池スタック１のカソード側およびアソード側の両方をパージガスへ切り替え、燃料電池制御システム１００の停止動作を完了させてもよい。このとき、パージガス用供給路Ｒ３は、燃料電池スタック１のカソードおよびアソードのそれぞれに連通する供給路を備えておき、それぞれに独立してパージガスを供給できるようにしておく。
【００５５】
さらに、燃料電池スタック１のカソード側およびアソード側の両方について、同時にパージガスの切り替えを行い、燃料電池スタック１に残存するガスをパージし、燃料電池制御システム１００の停止動作を完了させてもよい。燃料電池スタック１に残存するガスを所定ガスを用いてパージを行い、燃料電池スタック１の内部が所定ガスで満たされたときに、ガス排出用電磁弁Ｖ４、Ｖ５を閉じることで、燃料電池スタック１を所定ガスで充填した状態で封止することができる。
【００５６】
以下、本実施の形態に係る燃料電池制御システム１００の燃料電池停止動作の一例について、フローチャートを用いて詳細に説明する。図４は、本実施の形態に係る燃料電池制御システムの燃料電池停止動作の一例を示すフローチャートである。図４に示すように、燃料電池制御システム１００の停止動作は、まず、制御部３１により、運転停止の指示が出される（ステップＳ１１）。制御部３１の指示を受け、冷却を開始する（ステップＳ１２）。具体的には、ラジエータ７などの冷却装置を稼動する。また、ヒータ６の停止や、燃料電池スタック冷却ポンプＰ４の稼動を行ってもよく、燃料電池スタック冷却ポンプＰ４が既に稼動している場合は、その稼動を強めてもよい。
【００５７】
時間が経過するにつれ、燃料電池スタック１のセル温度は徐々に降下する。燃料電池スタック１のセル温度が所定温度Ｔｂより下回れば（ステップＳ１３；ＹＥＳ）、燃料電池スタック１と接続された負荷接続回路が開かれ、負荷が切り離され、燃料電池スタック１と接続しているインバータ２の接続も解除される（ステップＳ１４）。
【００５８】
そして、燃料電池スタック１へ供給されていた酸化剤ガスがパージガスへ切り替えられ、および／または、燃料電池スタック１へ供給されていた燃料ガスがパージガスへ切り替えられる（ステップＳ１５）。燃料電池スタック１にパージガスを供給し、残存するガスをパージし終えたら、パージガス用電磁弁Ｖ３を閉めて、パージガスの供給を停止する（ステップＳ１６）。パージガスの供給の停止とともに、ガス排出用電磁弁Ｖ４、Ｖ５も閉じておく。このとき、燃料電池スタック１のアノード側およびカソード側いずれか一方においてパージガスを供給していた場合は、他方に供給していたガスの供給を停止する。すなわちアノード側であれば燃料ガス用電磁弁Ｖ１、カソード側であれば酸化剤ガス用電磁弁Ｖ２を閉め、ガス供給を停止する。なお、ガス排出用電磁弁Ｖ４、Ｖ５を閉じることで、燃料電池スタック１は、燃料電池スタック１に残存したガスをパージする際に用いたパージガス（所定のガス）で、燃料電池スタック１内部を充填した状態に維持される。
【００５９】
そして、燃料電池制御システム１００の燃料電池スタック冷却ポンプＰ４を停止し、ラジエータ７などの冷却装置を停止させて燃料電池スタックの冷却を停止し（ステップＳ１７）、燃料電池制御システム１００の停止動作を終了する。
【００６０】
なお、ステップＳ１４の負荷接続回路を開くステップおよびインバータ接続解除ステップ、と、ステップＳ１５のパージガスの供給へ切り替えステップは、どちらが先であってもよく、同時に行われてもよい。ステップＳ１３の、燃料電池スタック１のセル温度が所定の値以下であるステップを経ることで、燃料電池の触媒劣化のおそれを低減し、燃料電池制御システム１００の停止動作を完了することができる。
【００６１】
図５は、本発明の実施の形態に係る燃料電池制御システムの燃料電池停止動作における温度および電圧を示す図である。一点鎖線グラフは、温度を示すグラフであり、線グラフおよび点線グラフは、電圧を示すグラフである。
【００６２】
温度のグラフを参照する。温度Ｔａは、燃料電池スタックの運転温度であり、例えば摂氏１５０度程度とする。温度Ｔｂは、パージガスのパージを開始する所定の温度であり、例えば摂氏１１０度程度とする。
【００６３】
時間ｔ１の運転停止指示時に、同時にラジエータ７を稼動させるなどして冷却を開始しており、燃料電池スタックの温度は、運転温度である温度Ｔａ、例えば摂氏１５０度から徐々に温度は降下していく。一定時間経過した時間ｔ２のとき、燃料電池スタックの温度は、所定の温度である温度Ｔｂ、例えば摂氏１１０度となり、さらに時間が経過するにつれ、燃料電池スタックの温度は降下していく。なお、温度のグラフは、本実施例および、以下に示す比較例ともに、共通である。
【００６４】
電圧のグラフを参照する。電圧Ｖｏは、温度Ｔａにおいて、燃料電池スタックの劣化が特に著しく発生するときの電圧とする。燃料電池スタックの劣化とは、具体的には、カソード電極側でのカーボンの腐食や触媒のシンタリングの発生をいい、燃料電池の触媒が劣化し、燃料電池の特性が劣化することをいう。また、温度と電圧は比例して降下し、電圧Ｖｂは温度Ｔａでの電圧、電圧Ｖｃは摂氏１１０度での電圧を示す。電圧（Ｖａ−Ｖｃ）は、燃料電池スタックの負荷を停止し、燃料電池スタックへ供給するガスをパージガスへ切り替えたときに発生する燃料電池スタックの電圧の立ち上がり量を示す。
【００６５】
燃料電池スタックの電圧と温度は、高温かつ高圧のときに、燃料電池スタックの劣化が著しく発生し、仮に、（電圧，温度）＝（電圧Ｖｏ，温度Ｔａ）のとき、燃料電池スタックの劣化が著しく発生するものとする。また、（電圧Ｖｏ，温度Ｔｂ）や（電圧Ｖａ，温度Ｔａ）の場合は、（電圧Ｖｏ，温度Ｔａ）に比べると劣化の度合いは低いが、燃料電池スタックの劣化は発生するおそれが生じるものとする。なお、本発明における燃料電池スタックの電圧と温度である（電圧，温度）＝（電圧Ｖａ，温度Ｔｂ）のとき、燃料電池スタックの劣化はほとんど見られないものとする。（電圧Ｖａ，温度Ｔｂ）の数値については、燃料電池スタックの性能、すなわちリン酸のドープ量、電極の触媒量、電極のカーボン量、などによって異なり、また、燃料電池スタックの運転条件、例えば、起動電圧のかけ方や、起動回数、運転時の電圧と電流、装置が置かれる温度などの運転環境などによっても異なるため、限定した数値設定が困難である。しかしながら、燃料電池スタックの特性として、燃料電池スタックの温度の降下と、電圧の降下は比例して生じることが分かっており、また、燃料電池スタックの温度を、上述してきた温度である概摂氏１１０度で設定した場合において、燃料電池スタックの劣化はほとんど生じないことから、温度Ｔｂを摂氏１１０度と設定する。
【００６６】
本実施例の電圧を線グラフで示す。本実施例のように、燃料電池スタックの運転停止指示および冷却開始後、燃料電池スタックが運転温度である温度Ｔａ（摂氏１５０度）から所定の温度である温度Ｔｂ（摂氏１１０度）になった後に、負荷を停止しパージガスに切り替える。すなわち燃料電池スタックの電圧が電圧Ｖｂから電圧Ｖｃに降下した後に、負荷を停止しパージガスに切り替える。電圧が電圧Ｖｃまで降下したことで、電圧（Ｖａ−Ｖｃ）の分の電圧が立ち上がった場合でも、最大電圧は電圧Ｖａとなり、電圧Ｖｏ未満であり、燃料電池スタックの劣化を低減させることができる。
【００６７】
比較例の電圧を点線グラフで示す。比較例は、運転停止指示と同時に負荷を停止しパージガスに切り替えた場合である。比較例では、運転停止指示と同時に負荷を停止しパージガスに切り替えるため、運転停止指示と負荷停止は同時に行われ、運転停止指示が運転停止となる。比較例の場合においても、実施例と同様に時間ｔ１において冷却を開始する条件は同じであり、燃料電池スタックは経時的に温度降下は生じるが、燃料電池スタックは運転温度である温度Ｔａのとき、負荷停止とパージガスへの切り替えが行われるため、燃料電池スタックが実施例よりも高温状態のまま、燃料電池スタックに電圧の立ち上がりが生じる。図示するように、比較例では、電圧がＶｂの状態で、電圧（Ｖａ−Ｖｃ）の分の電圧が立ち上がり、最大電圧が電圧Ｖｏを越えることが分かる。その結果、比較例では、燃料電池スタックの運転停止の際に、燃料電池スタックの劣化が発生することが分かる。特に、高温かつ高電圧のため、燃料電池スタックの触媒の劣化への影響が大きくなる。
【００６８】
図６は、燃料電池停止動作における温度と電圧低下量の関係を示す。燃料電池を、負荷運転を２時間行った後に１時間停止するという運転サイクルで運転した場合の、運転１サイクル当たりの電圧低下量を示す。燃料電池の１時間停止の間は、ガス置換を行う。負荷運転は、図５中の、運転停止指示かつ冷却開始の時間ｔ１から、負荷停止かつパージガス切り替えの時間ｔ２までの間を指し、運転停止は時間ｔ２から、燃料電池制御システムの停止動作終了までにかかる時間を指す。
【００６９】
図６を参照すると、燃料電池の温度が摂氏１６０度の高温の場合は８０μＶの電圧低下しているのに対して、燃料電池の温度が摂氏８０度の低温の場合は２μＶしか電圧低下していない。低温の場合は、燃料電池の運転１サイクル当たりの電圧低下量が少なく、燃料電池の劣化が小さいことが分かる。
【００７０】
なお、本発明において、燃料電池制御システムの負荷停止かつパージガス切り替えを行う温度を、摂氏１００度を超える温度としているのは、水の沸点を超える温度にすることによって、水が凝縮してリン酸が溶出する可能性を排除するためである。
【００７１】
図７は、本発明の実施の形態の変形例に係る燃料電池制御システムの一例を示す構成概略図である。本発明の実施の形態の変形例に係る燃料電池制御システム１０１は、実施の形態に係る燃料電池制御システム１００の構造に加えて、貯湯槽８、排熱回収部９を備える。
【００７２】
貯湯槽８および排熱回収部９は、熱交換システム（もしくは排熱システムともいう）を備える燃料電池制御システム１０１として機能するための、機能部の一例を示している。
【００７３】
例えば、貯湯槽８は、燃料電池スタック冷却ポンプＰ４の熱の回収を行う（点線Ｈ１で示す）。具体的には、貯湯槽８は貯湯水循環路を備え、その貯湯水と燃料電池スタック冷却ポンプＰ４の冷媒が熱交換する熱交換器を設けておく。燃料電池スタック冷却ポンプＰ４の熱は、熱交換器で回収されて、貯湯槽８に貯えられる。
【００７４】
また、排熱回収部９は、燃焼部４でオフガスの燃焼時に発生した熱（燃焼排ガスの熱）の回収を行う（点線Ｈ３で示す）。具体的には、排熱回収部９は燃焼排ガス用冷却水循環路を備え、その冷却水と燃焼排ガスとが熱交換する熱交換器を設けておく。燃焼排ガスの熱は、熱交換器で回収されて、貯湯槽８に貯えられる。この場合、燃焼排ガス用冷却水循環路は、燃料電池スタック１の冷媒循環路（燃料電池スタック冷却ポンプＰ４を含む熱交換系）とは独立させておく。
【００７５】
さらに、燃料電池スタック１から排出されるガスの熱についても、貯湯槽８で回収してもよい（点線Ｈ２で示す）。具体的には、ガス排出路Ｒ４に凝縮器を設けておき、熱交換器を介して、貯湯槽８に熱を回収する。図示していないが、凝縮器は、改質ガス用供給路Ｒ１に備えてもよい。点線Ｈ２で表す凝縮器用冷却水循環路は、燃料電池スタック１の冷媒循環路とは独立させておくが、点線Ｈ３で表す燃焼排ガス用冷却水循環路とは独立であっても共通であってもよい。
【００７６】
燃料電池制御システム１０１に、貯湯槽８、排熱回収部９を備えることで、燃料電池制御システム１０１の運転中に発生する熱を効率よく利用することができる。そのため、燃料電池制御システム１０１は同時に、熱交換システムとして機能する。なお、熱交換システムは、燃料電池スタック冷却ポンプＰ４およびヒータ６、ラジエータ７を含み構成されることが好ましく、さらに、余剰熱を燃料電池制御システム１０１の内部に限らずに外部で利用してもよい。
【００７７】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る燃料電池制御システムおよび燃料電池停止方法によれば、停止時における燃料電池触媒の劣化を低減し、燃料電池特性の劣化を低減させることができる。
【００７８】
特に、本発明を用いることで、中温領域で用いられるＰＢＩ−リン酸形の燃料電池スタックを備える燃料電池制御システムにおいて、燃料電池制御システムの運転停止時に、燃料電池スタック内の高温かつ高圧状態となることで発生する燃料電池特性の燃料電池スタックの触媒の劣化のおそれを容易に低減することができる。
【００７９】
燃料電池制御システムは運転停止の制御指示を受け、ポンプやラジエータなどの冷却装置を用いて冷却を開始することにより燃料電池スタックのセル温度を降下させることで、同時に燃料電池スタックの電圧を降下させることができる。その後、燃料電池と接続する負荷を切り離し、燃料電池スタックに残存するガスのパージを行う。パージガスへ切り替えることで発生する電圧の立ち上がりが発生する場合であっても、燃料電池の特性の劣化を低減できる。
【００８０】
特に高温かつ高圧状態において燃料電池の特性が劣化し、カソード電極側において、カーボンが酸化して起こるカーボンの腐食や、例えば白金の溶解による劣化などの、触媒のシンタリングの発生により、燃料電池触媒の劣化が発生するが、本発明における燃料電池制御システムおよび燃料電池停止方法を用いることで、燃料電池が高温かつ高圧状態に晒されることがなくなり、燃料電池の特性の劣化を低減することができる。
【００８１】
さらに、燃料電池制御システムに、熱交換システムを備えることで、燃料電池制御システムの運転開始時の燃料電池スタックへ供給するガスや燃料電池スタックの加温、運転時の燃料電池スタック内の温度維持、運転停止時の燃料電池スタックの冷却など、熱交換を効率よく行いながら、燃料電池制御システムを稼動させることができる。
【符号の説明】
【００８２】
１    燃料電池スタック
２    インバータ
３    燃料改質部
４    燃焼部（バーナ）
５    測温部（測温装置）
６    ヒータ
７    ラジエータ（冷却装置）
８    貯湯槽
９    排熱回収部
１０    負荷解除部（負荷解除機構）
３１    制御部
１００    燃料電池制御システム
Ｐ４  燃料電池スタック冷却ポンプ（冷却装置）
Ｒ１  改質ガス用供給路（燃料ガス供給路）
Ｒ２  酸化剤ガス用供給路（酸化剤ガス供給路）
Ｒ３  パージガス用供給路（パージガス供給路）
【図１】
2012174673.tif 000003
【図２】
2012174673.tif 000004
【図３】
2012174673.tif 000005
【図４】
2012174673.tif 000006
【図５】
2012174673.tif 000007
【図６】
2012174673.tif 000008
【図７】
2012174673.tif 000009