JP2006236739A

JP2006236739A - 燃料電池発電システム及びその停止方法

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Publication number: JP2006236739A
Application number: JP2005048452A
Authority: JP
Inventors: Takeo Matsuzaki; 健男松崎; Mitsugi Takahashi; 貢高橋; Kazuhiko Kawajiri; 和彦川尻; Yoshiaki Odai; 佳明尾台; Kazunori Tsuchino; 和典土野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2025-02-24
Also published as: CN100505405C; DE102005042772B4; CN1825673A; US20060188765A1; US7833670B2; DE102005042772A1; JP4593311B2

Abstract

【課題】カソード／アノード双方の周囲を水素雰囲気として燃料電池の発電を停止させると共に、発電停止時に於ける改質器の異常温度上昇を防止する。
【解決手段】アノードへの水素含有ガスの供給を継続しつつカソードへの酸化剤含有ガスの供給を停止した後は、燃料電池スタック１の出力電圧が、燃料電池スタック１の出力電流を一定値に保とうとする定電流運転機能を有する電力変換器１１の動作可能下限電圧値に到達するまでは、燃料電池スタック１の出力を電力変換器１１経由で外部負荷１２に於いて消費させ続ける。燃料電池スタック１の出力電圧が動作可能下限電圧値よりも低下したときには燃料電池スタック１の出力を短絡抵抗器１４に接続する。その後、燃料電池スタック１の出力電圧が概略ゼロに到達した時点で、改質器２を停止する。
【選択図】図２

Description

この発明は、電気化学的な反応を利用して発電する、燃料電池発電システムに関するものである。

燃料電池発電システムを、カソード側に酸素が残留している状態で停止すると、カソード電極の触媒層を構成する触媒が死活化して電極が劣化することが知られている。具体的には、例えば触媒として白金触媒粒子がカーボン粒子に担持されている場合、侵入してきた空気中の酸素とカーボン粒子とが反応してカーボン粒子が一酸化炭素に変化して消失し、白金触媒粒子がカーボン粒子から脱離して白金触媒粒子同士が凝集し、カソード電極との導通を失って触媒として機能しなくなるという現象が生じる。このような劣化現象を防ぐために、発電停止時に、燃料電池の出力を抵抗短絡し、カソード空気供給を止めて、カソード中の酸素を完全に消費する停止方法が知られている（特許文献１参照）。

燃料電池の出力を抵抗短絡し、且つ、カソードへの酸素の供給を止めると、カソードでは、主として次の反応が起こる。

（１）は空気量を絞り始めてから暫く、比較的に酸素濃度が高い状態で支配的な反応であり、（２）は酸素濃度が低くなってから支配的となる反応である。（２）の反応によってカソードに水素が発生し、触媒付近の電位が下がって触媒酸化が防止される。従って、この状態で燃料電池を停止・保管することが劣化対策となる。

特開平１１−２６００３号公報

一方、本願発明者たちの実験によれば、燃料電池の出力を抵抗短絡し、アノード／カソード双方を水素雰囲気内にある状態とした上で、アノード／カソード双方の出入口を閉め切って燃料電池を停止・保管すると、単に触媒劣化が防止されるというだけではなく、劣化した触媒が再び活性化される効果があることが判った（未公知技術）。これは、触媒能を低下させるような酸化物などが触媒表面を覆っているような場合に、その酸化物が水素によって還元されるためと考えられる。よって、この様な未公知の停止・保管方法を、燃料電池に供給する燃料を原燃料から生成する改質器を備えたシステムへ適用することが、検討される。

上述した、アノード・カソード双方を水素雰囲気内に保持する停止・保管方法（未公知技術）を、改質器よりアノードに燃料を供給するシステムに適用する為には、カソード側の酸素が消費され酸素濃度が下がってカソードに水素が発生するまで、改質器から燃料をアノードに供給することが必要である。この場合、従来技術の様に空気供給停止と同時に抵抗負荷に出力を切り替えると、スタック電流はスタック電圧に比例して減少し、アノードでの水素消費量が減少するため、アノードオフガス中の水素量は増大する。しかも、カソード側の残留酸素を除去するまでに比較的長い時間が掛かり、空気供給停止後の改質器運転時間が長くなる。従って、長時間、燃料オフガス中に含有された過大な量の水素が改質器のオフガスバーナで燃焼するため、改質器の温度が異常上昇すると言う問題点が生じる。

この発明は、上記の様な問題点を解決するためになされたものであり、発電停止時において、改質器の異常温度上昇を防ぐと共に、両極を共に水素雰囲気内におくことで触媒劣化の防止及び劣化した触媒の活性化を達成することができる燃料電池発電システムを提供することを、その主要な目的とする。

本発明の主題に係る燃料電池発電システムは、カソード及びアノードを備える燃料電池と、酸化剤含有ガスを前記カソードに供給する酸化剤含有ガス供給経路と、原燃料から水素含有ガスを発生させ前記水素含有ガスを前記アノードに供給する改質器と、外部負荷に接続された出力端を備え、前記燃料電池の出力を用途に合わせた電力に変換する機能と共に定電流運転機能を備える電力変換器と、前記電力変換器に直列接続された第１スイッチと、短絡抵抗器と、前記短絡抵抗器に直列接続された第２スイッチと、前記燃料電池の出力電流値を制御する電流値制御部とを備え、前記電力変換器と前記第１スイッチとの組は前記カソードと前記アノード間に接続されており、同様に、前記短絡抵抗器と前記第２スイッチとの組も前記カソードと前記アノード間に接続されており、前記燃料電池の発電を停止するときには、前記改質器から前記アノードへの前記水素含有ガスの供給を継続しつつ、前記カソードへの前記酸化剤含有ガスの供給を停止した後、前記燃料電池の出力電圧が一定の閾値に低下するまでの期間は、前記電流値制御部は前記電力変換器に電流指令値を出力すると共に、前記第１スイッチをオンし続け且つ前記第２スイッチをオフし続けて前記燃料電池の前記出力を前記電力変換器を経由して前記外部負荷に於いて消費する一方、前記燃料電池の前記出力電圧が前記閾値未満に低下した段階で、前記電流値制御部は、前記第１スイッチをオフ状態に切り替えると共に前記第２スイッチをオン状態に切り替えて、その後、前記燃料電池の前記出力電圧が概略ゼロに達した時点で前記水素含有ガスの前記アノードへの供給を停止させることを特徴とする。

以下、この発明の主題の様々な具体化を、添付図面を基に、その効果・利点と共に、詳述する。

本発明の主題によれば、酸化剤含有ガスの供給停止後から燃料電池本体の出力を短絡抵抗器に接続するまでの期間内、燃料電池出力電流は電力変換器の定電流運転機能により指令値に保たれ続けるため、燃料電池本体内に残留する酸素と水素との反応が促進されるので、カソード側に残留する酸素量はこの期間内に従来例と比較して格段に減少し続け、アノード側のオフガス内の水素量は当該期間内は増加することなく一定値に保たれるので、改質器の異常温度上昇を防ぎながらアノード及びカソードの双方を水素雰囲気下に置いて燃料電池本体の発電を停止させることが出来る。その結果として、触媒の劣化防止に加えて、劣化した触媒を保管中に活性化させることが可能となる。しかも、本発明の主題によれば、酸化剤含有ガスの供給停止後から燃料電池本体の出力を短絡抵抗器に接続するまでの期間は、電圧値及び電流値が比較的大きい時間帯に当たり、その様な期間内に燃料電池本体の電力を電力変換器を経由して外部負荷に於いて消費することが可能となるため、短絡抵抗器の容量を従来例と比較して格段に小さくすることも可能となる。

（本発明の着眼点）
この発明に係る燃料電池発電システムの停止方法においては、発電停止動作の開始時にアノードへの燃料供給を継続したままカソードへの空気の供給を止めた後、燃料電池本体の電流値が出力電圧の低下に伴って下がらぬ様に、即ち、電流値が所定の範囲内（好ましくは一定値）となる様に、定電流運転機能を有する電力変換器で以って当該電流値を制御しながら、カソードに残留する酸素を消費し且つカソードに水素を発生させた後に、燃料電池本体の出力の接続先を電力変換器から抵抗負荷に切り替えることとしている。

この点を、更に詳しく、図１に基づいて記載する。図１は、発電停止前後のオフガス水素量、燃料電池スタック（燃料電池本体）の電圧Ｖ、燃料電池スタックの電流Ｉ、及び、カソード側の酸素量の状態変化を概念的に示す図である。図１中、物質量や状態等に関して、太線で示すのが本発明であり、点線で示すのが従来例によるものである。図１の太線で示す様に、燃料電池スタックのカソードへの酸化剤含有ガス供給停止の後（従来例であれば、この時点で直ちに燃料電池スタックの出力を抵抗短絡するので、燃料電池スタックの電流値Ｉは電圧値Ｖに比例して減少するが）、電流値Ｉが電圧Ｖの低下に伴って下がっていかぬ様に、即ち、指定の範囲内となる様に（好ましくは一定値となる様に）制御される。そして、カソードに残留する酸素が消費されてカソードに水素が発生し、アノード及びカソードの両極が共に水素雰囲気下になった時点で、電流値Ｉ＝指定値の制御を止めて、燃料電池スタックの出力の接続先を短絡抵抗器に切り替え、その後、電圧Ｖが概略ゼロに至った時点で改質器を止めて、燃料電池発電システムを休止状態とする。ただし、改質器を止めるタイミングについては、電圧Ｖが文字通りゼロとなってからとしてもよいが、改質器を止めてもアノードに充分な残留水素があって、カソードに水素が発生し、アノード/カソード双方の水素分圧が等しくなって電圧Ｖをゼロとできるときには、電圧Ｖがゼロとなる前に改質器を止めてもよい。例えば、“一つのセルに換算した電圧が０．１Ｖ以下”など、改質器容量等を考慮し実験的に定めた判断基準によって改質器を止めるタイミングを定めることができる。この様な停止方法を採用するときには、アノードへの燃料供給継続中に電流値を指定値に制御している期間中は、点線で示される従来例と比較してカソード側の酸素量の大幅な減少に対して、アノード側のオフガスに含まれる水素量が一定となるので、改質器の温度が異常上昇することを防ぐことが出来る（従来例では、電流値Ｉが下がるに任せていたのでオフガス水素量が増えていき、改質器温度の異常上昇と言う問題点の発生があった）。しかも、本発明の停止方法によれば、従来例よりも大きな電流Ｉ（好ましくは一定値）を流すので、カソードに残留している酸素をより速く反応させて、カソードにより速く水素を発生させることが可能となり、停止手順開始から改質器停止までの時間をより一層短くすることが出来る。

尚、図１中で、本発明の停止方法では、オフガスに含有される水素量（オフガス水素量）が、短絡抵抗器への切替え後に高くなり、改質器の停止時にゼロとなっている部分がある。これは、低い抵抗値の短絡抵抗に切替える瞬間に水素量が増えることを概念的に図示したものであり、実際は非常に短い時間なので、改質器の温度上昇の観点からは問題とはならない。

また、上記方法で電流値Ｉを制御するにあたり、電流値Ｉを一定値に設定するのが好ましいのは、次の理由による。即ち、電流値が下がっていくと、アノードで消費される水素量が減ってオフガス水素量が増え、改質器の異常温度上昇を招く恐れがある。その反面、電流値が上がっていくと、アノードで消費される水素量が増え、燃料電池スタックのあるセルでは水素が不足した状態で放電電流が流れて、カソード／アノード双方の構成材料である炭素を消費してしまう恐れがある。従って、カソードとアノード間に流れる電流値Ｉが一定となる様に制御するのが好ましい。

（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの構成を示す系統図である。図２に於いて、本システムは、大要、（１）電解質（図示せず）を介して対向したカソード及びアノードを有する燃料電池スタック（複数のセルの積層より成る）１、（２）原燃料から水素含有ガス（改質ガス）を発生させ当該水素含有ガスをアノードに供給する改質器２、及び（３）酸化剤含有ガス供給源５を備える。尚、酸化剤含有ガス供給源５とその開閉弁４２，４１とは、空気等の酸化剤含有ガスをカソードへ供給する「酸化剤含有ガス供給経路」を成す。

燃料電池スタック１へは、酸化剤含有ガス及び改質ガスが、それぞれ、開閉弁４２，４４３を介して供給される。この内、酸化剤含有ガスは、燃料電池スタック１のカソードで反応後、開閉弁４１を介して排出される。他方、燃料電池スタック１のアノードで反応後の改質ガスは、アノードオフガスとして、改質器２へ送られる。改質器２へは、原燃料、助燃用燃料、及び、開閉弁４４を介してアノードオフガスが、それぞれ供給される。助燃用燃料及びアノードオフガスは、各々、改質器２の助燃バーナ３及びオフガスバーナ４に供給される。

更に、本システムは、（４）燃料電池スタック１の出力に（第１）スイッチ１０のオン状態を介して接続される、定電流運転機能を備えた電力変換器１１（電力変換器１１の出力端は外部負荷１２に接続されている）と、（５）（第２）スイッチ１３のオン状態を介して燃料電池スタック１の出力に接続される短絡抵抗器１４、（６）電力変換器１１の入力電圧が電力変換器１１の動作可能下限電圧値よりも下がれば（第１）信号Ｓ１を出力する（第１）電圧検出装置３０、（７）燃料電池スタック1の出力電圧値（セル電圧値の総和）を（第２）信号Ｓ２として出力する（第２）電圧検出装置３１、及び、（８）本システム全体を制御する制御装置２０を備える。特に、制御装置２０は、電力変換器１１に対して、発電停止開始後に一定値に保つべき電流値Ｉの指令値を出力する。そして、本実施の形態では、制御装置２０と電圧検出装置３０とが「電流値制御部」を成しており、この内、電圧検出装置３０は電力変換器１１の入力電圧が一定の閾値に該当する電力変換器１１の動作可能下限電圧値よりも下がれば信号Ｓ１を出力し、制御装置２０は、電圧検出装置３０の出力信号Ｓ１を受信するまでは第１スイッチ１０をオンし続け且つ第２スイッチ１３をオフに制御する一方、電圧検出装置３０の出力信号Ｓ１を受信した以降は第１スイッチ１０をオフ状態に切り替えると共に第２スイッチ１３をオン状態に切り替える動作を成す。

本実施の形態に係る燃料電池発電システムの運転（発電）中には、開閉弁４１，４２，４３，４４を開け、スイッチ１３を開いて（オフ）スイッチ１０を閉じ（オン）、燃料電池スタック１の出力は、電力変換器１１を介して接続される外部負荷１２において消費される。

次に、本実施の形態に係るシステムの停止時の動作を、図３及び図４に基づいて、記載する。ここで、図３は本実施の形態に於ける発電停止手順を示すフローチャートであり、図４は、燃料電池出力電圧Ｖ・電流Ｉ／カソード酸素量／アノードオフガス水素量の状態変化を概念的に示す図であり、図４中には図３の対応ステップ番号が付されている。

先ず、キー入力等により制御装置２０に停止開始指令信号が入力されることによって、システム停止処理が開始される（ステップ１００）。

続いて、制御装置２０は、酸化剤供給源５の出力を絞って開閉弁４１，４２を閉じることにより、燃料電池スタック１への酸化剤含有ガスの供給を停止する（ステップ１０１）。そして、制御装置２０は、電力変換器１１に対して、その定電流運転機能のための電流指令値を指令する。他方で、燃料ガス（改質ガス）はアノードに供給され続けているので発電が続き、発電により酸化剤が消費されるにつれてカソードでの酸素量（酸化剤濃度）が下がって、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖが低下していく。この時、電力変換器１１の定電流運転機能によって、燃料電池スタック１の出力電圧値Ｖが下がっても、一定の電流値Ｉを維持する様に、燃料電池スタック１の出力電流は制御される。

その後、燃料電池スタック１の出力電圧値Ｖが電力変換器１１の動作可能下限電圧値（ステップ１０２に言う閾値とはこの値である）を下回り、電力変換器１１の動作が不可能、即ち、外部負荷１２による電力消費が不可能となったことを、制御装置２０は、電圧検出装置３０からの出力信号Ｓ１の受信によって判断し（ステップ１０２）、制御装置２０はスイッチ１０を開く一方で（オフ状態への切り替え）、スイッチ１３を閉じて（オン状態への切り替え）、燃料電池スタック１の出力は短絡抵抗器１４に繋がれる（ステップ１０３）。

最後に燃料電池スタック１の出力電圧値Ｖが概略ゼロとなったら、制御装置２０は改質器２を停止し開閉弁４３，４４を閉じる（ステップ１０４）。その結果、水素含有ガス（改質ガス）のアノードへの供給は停止される。

以上の様な構成と停止手順とによれば、カソード／アノード双方に水素を発生させ（触媒の劣化防止及び劣化した触媒の活性化の達成）、且つ、改質器２の温度を異常上昇させずに、燃料電池スタック１の発電を停止することが出来る。しかも、本発電停止手順に従えば、停止動作開始直後の、電圧値および電流値が大きい時間帯の電力を、電力変換器１１を経由した外部負荷１２で消費できることから、短絡抵抗器１４として使用する抵抗器の容量を、従来例の場合よりも比較的小さくすることができる。

加えて、本停止方法によれば、複数の抵抗器を設けて燃料電池スタック１の出力接続先を切り替える等の制御が要らず、システムの構成及びその停止手順を単純化し得ると言う利点もある。

（実施の形態２）
実施の形態１では、図２の電力変換器１１において電流値Ｉがゼロ付近となるまで電力を消費することができないこと、即ち、電力変換器１１の動作下限電圧値が小さくない値であることを想定していた。

しかしながら、電流値Ｉがゼロ付近となるまで電力変換器１１が動作可能であれば（動作下限電圧値が比較的小さければ）、停止手順中の電力全てを、電力変換器１１を介して外部負荷１２に於いて消費させることができる。その場合には、図３のステップ１０２において「ＹＥＳ」と判定された場合、即ち、制御装置２０が信号Ｓ１を受信した後、制御装置２０はステップ１０３及び１０４の燃料電池出力短絡と改質器停止とを直ちに実施すれば良い。

従って、本実施の形態の場合によれば、短絡抵抗器１４の容量を実施の形態１の場合よりもより一層小さくすることが出来る、あるいは、短絡抵抗器１４自体を不要とすることも可能となる。

（実施の形態３）
実施の形態１では、図３の停止手順のステップ１０２において、制御装置２０は信号Ｓ1の受信の有無によって短絡抵抗器１４への切り替えタイミングを判断しているが、この方法に代わって、制御装置２０は電圧検出装置３１の出力信号Ｓ２の値を所定の値（予め実験的に定められた値であり且つ実施の形態１に於ける上記の閾値に相当するもの）と比較することによって出力低下を判断して、短絡抵抗器１４への切り替えタイミングを判定することとしても良い。この場合には、電圧検出装置３０は不要となる。

即ち、本実施の形態によれば、電圧検出装置３１と制御装置２０とが「電流値制御部」を成すこととなり、当該電流値制御部は、（Ａ）燃料電池スタック１の出力電圧を検出してその検出結果を信号Ｓ２として出力する電圧検出装置３１、及び、（Ｂ）電圧検出装置３１の出力信号Ｓ２と一定の閾値に該当する所定の値とを比較し、出力信号Ｓ２が所定の値に達するまでは第１スイッチ１０をオンし続け且つ第２スイッチ１３をオフし続ける一方、出力信号Ｓ２が所定の値よりも低下したときには第１スイッチ１０をオフ状態に切り替えると共に第２スイッチ１３をオン状態に切り替える制御を実行する制御装置２０を有するものと、言える。

本実施の形態においても、既述した実施の形態１の効果が同様に得られることは勿論である。

（実施の形態４）
実施の形態１及び２あるいは実施の形態３においては、停止手順のステップ１０２で、前記の信号Ｓ１の受信の有無により、あるいは信号Ｓ２と所定値との比較処理によって短絡抵抗器１４への切り替えタイミングを判定しているが、そうではなくて、ステップ１０２に於いて、ステップ１０１の酸化剤含有ガスの供給停止から一定時間（予め酸化剤含有ガスの供給停止時から出力電圧Ｖが所定の電圧値にまで低下するに至る時間を求めておく）が経過したことを以って、制御装置２０が、燃料電池出力の低下を判断する、従って、短絡抵抗器１４への切り替えタイミングを判断する様にしても良い。この場合には、電圧検出装置３０，３１は不要となり、代わって、制御装置２０はタイマ（図示せず）を備えることとなり、制御装置２０自体が、酸化剤含有ガスの供給停止時点から所定の時間の経過を以って燃料電池スタック１の出力電圧Ｖが前記閾値未満に低下したと判断して、第１スイッチ１０のオフ状態への切り替え制御と第２スイッチ１３のオン状態への切り替え制御とを実行する「電流値制御部」を成すことになる。

（実施の形態５）
本実施の形態では、実施の形態１で用いた図２を援用する。図２の構成において、図５のフローチャートに示す様な、より細やかな電流制御による停止手順に変更することも可能である。この場合、図３のステップ１０２が、図５のステップ２０１〜２０５に置き換えられることになる。

ここで、本実施の形態の特徴点を述べれば、それは、「制御装置２０は、電圧検出装置の出力信号Ｓ２が電力変換器１１の動作可能下限電圧値（閾値：後述の電圧値Ｖ２）よりも大きな所定値（後述の電圧値Ｖ１）よりも低下したことを検出する毎に、電力変換器１１に指令済みの電流指令値から所定の電流値を差し引いた値を新たな電流指令値として電力変換器１１に指令出力して当該新たな電流指令値に基づく定電流運転機能を電力変換器１１に実行させると共に、差し引き処理を続行した後の新たな電流指令値が所定の下限指令値（後述の電流値Ａ２）よりも低下した以降又は出力信号Ｓ２が電力変換器１１の動作可能下限電圧値よりも低下した以降は、第１スイッチ１０のオン状態からオフ状態への切り替え制御と第２スイッチ１３のオフ状態からオン状態への切り替え制御とを実行する」点にある。

以下、図５のフローチャートに示された各ステップを説明することで、上記の本実施の形態の特徴点を明記する。

停止処理の開始（ステップ１００）及びそれに引き続く酸化剤含有ガスの供給の停止（ステップ１０１）の後（制御装置２０は電力変換器１１に電流指令値Ｉの初期値を指定して電力変換器１１の定電流運転機能を制御し、その結果、燃料電池スタック１の電流値は停止モード開始後、指令値に保たれるが、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖは低下し続ける）、制御装置２０は、電圧検出装置３１からの出力信号Ｓ２を受信して、出力信号Ｓ２のレベルと所定値Ｖ１（電力変換器１１の動作可能下限電圧よりも大きな値）との比較処理を行うことで、燃料電池スタック１の出力電圧が所定値Ｖ１よりも下がったか否か（Ｓ２＜Ｖ１）を検出する（ステップ２０１）。

当該ステップ２０１に於いて、若し電圧値Ｓ２が所定値Ｖ１よりも下がっていることを検出した場合には、制御装置２０は、電力変換器１１に対して既に指令済みの電流指令値Ａに対して、Ａ＝Ａ−Ａ1（Ａ1は予め定められた一定値）の計算処理を実行し（ステップ２０２）、その上で、一定の電流指令値Ａから一定値Ａ1だけを差し引いて得られた新たな電流指令値Ａが実現可能な下限値である所定値Ａ２以上であるか否か（Ａ＜Ａ２）を判定する（ステップ２０３）。ステップ２０３に於いてＡ≧Ａ２と判断された場合には、制御装置２０は、上記の新たな電流指令値Ａを電力変換器１１に改めて指令すべき電流指令値に設定し直し、同値を電力変換器１１に指令する。その結果、燃料電池スタック１の出力電流値Ｉは一定値Ａ1分だけ減少し、燃料電池スタック１内の電気化学的反応速度が遅くなる。即ち、カソード側の酸化剤濃度が下がると配管部分などからも残留酸化剤が拡散でカソード内に供給されるため、この酸化剤供給速度（配管部分等からの酸化剤含有ガスの拡散速度）に見合った電流値に出力電流Ｉを絞ることにより、燃料電池スタック１の電圧Ｖが下がる速さを遅らせる様にする（ステップ２０４）。この結果、配管などの残留酸素による発電電力をより多く外部負荷１２で消費させることができる。更に、制御装置２０は、信号Ｓ２の値が電力変換器１１の動作可能下限電圧値Ｖ２以上にあるか否か（Ｓ２≧Ｖ２）を検出し（ステップ２０５）、Ｓ２≧Ｖ２のときには新たな電流指令値Ａの下でステップ２０１に戻って、既述した一連の手順を続行する。

その後、ステップ２０５に於いて電圧値Ｓ２が電力変換器１１の動作可能下限電圧値Ｖ２より下がることを検出した場合（Ｓ２＜Ｖ２）、あるいは、ステップ２０３に於いてステップ２０２で算出した電流指令値Ａが所定値Ａ２よりも下がってしまうことを検出した場合（Ａ＜Ａ２）、制御装置２０は、電力変換器１１を経由した外部負荷１２での電力消費の実行を断念し、この時点でスイッチ１０をオンからオフへ切り替え且つスイッチ１３をオフからオンへ切り替えることで、燃料電池スタック１の出力を電力変換器１１から短絡抵抗器１４へと繋ぎ替える（ステップ１０３）。その後は、電力は短絡抵抗器１４で消費されることとなり、やがて燃料電池出力電圧Ｖが概略ゼロとなったら、その時点で制御装置２０は改質器２を停止させて（ステップ１０４）、停止手順を完了する。尚、前記の各値Ｖ１、Ａ１、Ａ２の値については、予め実験により最適な値に設定しておく。

この様な構成と停止手順とに従えば、実施の形態１等と比較して、カソード側の配管部分等に残留する酸素をより確実に消費することができる。勿論、既述した実施の形態１等の効果も同様に得られる。

（付記）
尚、図２に於いて、スイッチ１０及び１３の一端を、アノード側に接続するのに代えて、カソード側に接続する様にしても良い。

以上、本発明の実施の形態を詳細に開示し記述したが、以上の記述は本発明の適用可能な局面を例示したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、記述した局面に対する様々な修正や変形例を、この発明の範囲から逸脱することの無い範囲内で考えることが可能である。

本発明の着眼点とその効果とを模式的に示す概念図である。本発明の実施の形態１乃至５の各々に係る燃料電池発電システムの構成を系統的に示すブロック図である。本発明の実施の形態１乃至４の各々に係る燃料電池発電システムの停止手順を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１乃至４の各々に関する状態変化を模式的に示す概念図である。本発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムの停止手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池スタック、２改質器、３助燃バーナ、４オフガスバーナ、５酸化剤供給源、１０スイッチ、１１電力変換器、１２外部負荷、１３スイッチ、１４短絡抵抗器、２０制御装置、３０電圧検出装置、３１電圧検出装置、４１，４２，４３，４４開閉弁。

Claims

カソード及びアノードを備える燃料電池と、
酸化剤含有ガスを前記カソードに供給する酸化剤含有ガス供給経路と、
原燃料から水素含有ガスを発生させ前記水素含有ガスを前記アノードに供給する改質器と、
外部負荷に接続された出力端を備え、前記燃料電池の出力を用途に合わせた電力に変換する機能と共に定電流運転機能を備える電力変換器と、
前記電力変換器に直列接続された第１スイッチと、
短絡抵抗器と、
前記短絡抵抗器に直列接続された第２スイッチと、
前記燃料電池の出力電流値を制御する電流値制御部とを備え、
前記電力変換器と前記第１スイッチとの組は前記カソードと前記アノード間に接続されており、同様に、
前記短絡抵抗器と前記第２スイッチとの組も前記カソードと前記アノード間に接続されており、
前記燃料電池の発電を停止するときには、
前記改質器から前記アノードへの前記水素含有ガスの供給を継続しつつ、前記カソードへの前記酸化剤含有ガスの供給を停止した後、前記燃料電池の出力電圧が一定の閾値に低下するまでの期間は、前記電流値制御部は前記電力変換器に電流指令値を出力すると共に、前記第１スイッチをオンし続け且つ前記第２スイッチをオフし続けて前記燃料電池の前記出力を前記電力変換器を経由して前記外部負荷に於いて消費する一方、
前記燃料電池の前記出力電圧が前記閾値未満に低下した段階で、前記電流値制御部は、前記第１スイッチをオフ状態に切り替えると共に前記第２スイッチをオン状態に切り替えて、その後、前記燃料電池の前記出力電圧が概略ゼロに達した時点で前記水素含有ガスの前記アノードへの供給を停止させることを特徴とする、
燃料電池発電システム。
請求項１記載の燃料電池発電システムであって、
前記電流値制御部は、
前記電力変換器の入力電圧が前記一定の閾値に該当する前記電力変換器の動作可能下限電圧値よりも下がれば信号を出力する電圧検出装置と、
前記電圧検出装置の前記出力信号を受信するまでは前記第１スイッチをオンし続け且つ前記第２スイッチをオフに制御する一方、前記電圧検出装置の前記出力信号を受信した以降は前記第１スイッチをオフ状態に切り替えると共に前記第２スイッチをオン状態に切り替える制御装置とを備えることを特徴とする、
燃料電池発電システム。
請求項１記載の燃料電池発電システムであって、
前記電流値制御部は、
前記燃料電池の前記出力電圧を検出してその検出結果を信号として出力する電圧検出装置と、
前記電圧検出装置の前記出力信号と前記一定の閾値に該当する所定の値とを比較し、前記電圧検出装置の前記出力信号が前記所定の値に達するまでは前記第１スイッチをオンし続け且つ前記第２スイッチをオフし続ける一方、前記電圧検出装置の前記出力信号が前記所定の値よりも低下したときには前記第１スイッチをオフ状態に切り替えると共に前記第２スイッチをオン状態に切り替える制御を実行する制御装置とを備えることを特徴とする、
燃料電池発電システム。
請求項１記載の燃料電池発電システムであって、
前記電流値制御部は、前記酸化剤含有ガスの供給停止時点から所定の時間の経過を以って前記燃料電池の前記出力電圧が前記閾値未満に低下したと判断して、前記第１スイッチのオフ状態への切り替え制御と前記第２スイッチのオン状態への切り替え制御とを実行することを特徴とする、
燃料電池発電システム。
請求項１記載の燃料電池発電システムであって、
前記電流値制御部は、
前記酸化剤含有ガスの供給停止時点からの前記燃料電池の前記出力電圧の低下を検出してその検出結果を出力信号として出力する電圧検出装置と、
前記電力変換器に前記電流指令値を出力して前記電力変換器の前記定電流運転機能を制御すると共に、前記電圧検出装置の前記出力信号を受信して前記第１及び第２スイッチを制御する制御装置とを備えており、
前記制御装置は、
前記電圧検出装置の前記出力信号が前記電力変換器の前記動作可能下限電圧値よりも大きな所定値よりも低下したことを検出する毎に前記電流指令値から所定の電流値を差し引いた値を新たな電流指令値として前記電力変換器に指令出力して当該新たな電流指令値に基づく前記定電流運転機能を前記電力変換器に実行させると共に、差し引き処理を続行した後の前記新たな電流指令値が所定の下限指令値よりも低下した以降又は前記電圧検出装置の前記出力信号が前記電力変換器の前記動作可能下限電圧値よりも低下した以降は前記第１スイッチのオン状態からオフ状態への切り替え制御と前記第２スイッチのオフ状態からオン状態への切り替え制御とを実行することを特徴とする、
燃料電池発電システム。
酸化剤含有ガスが供給されるカソード及び水素含有ガスが供給されるアノードを備える燃料電池の発電を停止させる方法であって、
前記アノードへの前記水素含有ガスの供給を継続しつつ前記カソードへの前記酸化剤含有ガスの供給を停止した後は、前記燃料電池の出力電圧が、燃料電池出力電流を一定値に保とうとする定電流運転機能を有する電力変換器の動作可能下限電圧値に到達するまでは、前記燃料電池の出力を前記電力変換器を経由して外部負荷に於いて消費させ続ける一方、
前記燃料電池の前記出力電圧が前記動作可能下限電圧値よりも低下したときには前記燃料電池の前記カソードと前記アノード間を短絡抵抗器で接続することで前記燃料電池の出力を前記短絡抵抗器に於いて消費させ続け、
前記燃料電池の前記出力電圧が概略ゼロに低下した時点で前記アノードへの前記水素含有ガスの供給を停止することを特徴とする、
燃料電池発電システムの停止方法。