JP2011165498A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＯＦＣの発電停止後の燃料極における燃料ガスのパージを簡単な構成で実現した燃料電池システムの提供。
【解決手段】燃料極２ａ及び空気極２ｂを有するＳＯＦＣ２と、燃料極２ａへ燃料ガスを供給する燃料供給通路１０と、空気極２ｂへ空気を供給する空気供給通路１１と、燃料供給通路１０と空気供給通路１１とを連通する連通路１２と、連通路１２に設けられた連通弁２２と、連通弁２２の開閉を制御するコントロールユニット５とを備え、コントロールユニット５は、ＳＯＦＣ２の発電中に連通路１２を遮断し、かつ、燃料極２ａへの燃料ガスの供給が停止した後、連通路１２を開放して、空気供給通路１１により供給される空気の少なくとも一部を燃料供給通路１０を介して燃料極２ａへ供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに係り、より詳細には、固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）を備えた燃料電池システムに関する。

従来のＳＯＦＣの一例が、下記の特許文献１に開示されている。ＳＯＦＣは、作動時に燃料ガスが供給されるアノード（燃料極）と、空気等の酸化剤ガスが供給されるカソード（空気極）とから構成されている。そして、特許文献１に開示の技術によれば、ＳＯＦＣの発電停止後のクールダウン時に、作動時とは逆に、アノードに酸化剤ガスを供給し、かつ、カソードに燃料ガスを供給する。これにより、アノード及びカソードで作動時の酸化還元反応とは逆の反応が進行して、電極劣化による電池特性の低下が抑制される。

特開２０００−１５６２３９号公報

ところで、ＳＯＦＣの発電を停止する際に、単に燃料ガスの供給を停止しただけでは、燃料極に燃料ガスが残留してしまう。その結果、燃料ガスに含まれる炭化水素が燃料極に析出して燃料極が劣化する。そこで、燃料極の劣化を防止するために、ＳＯＦＣの停止時に燃料極に残留している燃料ガスをパージする必要がある。

上記の特許文献１に開示の技術では、クールダウン時に発電時の酸化還元反応とは逆の反応を進行させることを目的とするものであるが、クールダウン時に燃料極に酸化剤ガスが供給されることによって燃料極から燃料ガスがパージされる。

しかし、特許文献１に開示の技術では、特許文献１の図１に示されるように、ＳＯＦＣの発電時に、燃料極及び空気極に燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給する経路と、クールダウン時に、燃料極及び空気極に酸化剤ガス及び燃料ガスをそれぞれ逆に供給する経路とが別々に設けられている。このため、クールダウン時に使用される経路が新たに多く必要となり、その分、装置が大型化し、また、装置の製造コストも上昇してしまうと考えられる。

そこで、本発明は、ＳＯＦＣの発電停止後の燃料極における燃料ガスのパージを簡単な構成で実現した燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料極及び空気極を有する固体酸化物型燃料電池と、前記燃料極へ燃料ガスを供給する燃料供給通路と、前記空気極へ空気を供給する空気供給通路と、前記燃料供給通路と前記空気供給通路とを連通する連通路と、前記連通路に設けられた連通弁と、前記連通弁の開閉を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記固体酸化物燃料電池の発電中に前記連通路を遮断し、かつ、前記燃料極への燃料ガスの供給が停止した後、前記連通路を開放して、前記空気供給通路により供給される空気の少なくとも一部を前記燃料供給通路を介して前記燃料極へ供給させる、ことを特徴とする。

このように構成された本発明は、連通路及び連通弁を設け、燃料極への燃料ガスの供給が停止した後に連通路を開放することによって、燃料極に残留した燃料ガスをパージする。したがって、本発明によれば、ＳＯＦＣの発電停止後の燃料極における燃料ガスのパージを、連通路及び連通弁を設けるという簡単な構成で実現することができる。その結果、燃料電池システムの小型化及び低コスト化を図ることもできる。

ところで、ＳＯＦＣは、例えば６００〜１０００℃という高い作動温度で発電される。このため、ＳＯＦＣの発電停止後に、残留燃料ガスのパージのために、燃料極に空気を直接導入すると、燃料極の温度が急激に低下する。ＳＯＦＣの燃料極は、急激な温度変化に弱いセラミックスで形成されている。このため、燃料極の急激な温度変化が繰り返されると、燃料極にひび割れが生じて燃料極が破損してしまうおそれがある。

そこで、本発明において、好ましくは、前記燃料供給通路に、炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して水素ガスを生成する改質器を更に備え、前記連通路は、前記改質器で又は前記改質器よりも上流側で前記燃料供給通路に接続する。

これにより、燃料極から燃料ガスをパージするためのパージ用空気は、改質器を通ってから燃料極へ供給される。燃料電池システムの発電中、改質器は数百℃の温度で作動しているため、改質器に通されたパージ用空気は改質器によって暖められる。その結果、暖められたパージ用空気が燃料極へ供給される。これにより、パージ用空気を燃料極へ直接供給する場合に比べて、燃料極の急激な温度低下が緩和される。したがって、燃料極のひび割れによる破損の防止を図ることができる。

また、本発明において、好ましくは、前記固体酸化物型燃料電池から排出されたオフガスを燃料の一部として吸引する内燃機関と、前記内燃機関から排出された排気ガスを、前記固体酸化物型燃料電池の加熱に利用するために前記固体酸化物型燃料電池へ導く第２排気ガス通路と、前記第２排気ガス通路に設けられた第２排気ガス弁と、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記改質器の加熱に利用するために前記改質器へ導く第１排気ガス通路と、前記第１排気ガス通路に設けられた第１排気ガス弁と、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記固体酸化物型燃料電池及び改質器のいずれにも導かずに排気する第３排気ガス通路と、前記第３排気ガス通路に設けられた第３排気ガス弁とを更に備え、前記制御手段は、前記第１、第２及び第３排気ガス弁の開閉を制御し、前記燃料極への燃料ガスの供給が停止した後、前記第２排気ガス通路を遮断するとともに前記第１排気ガス通路及び第３排気ガス通路の少なくとも一方を開放して、前記内燃機関から排出された排気ガスが前記固体酸化物型燃料電池へ導かれないようにする。

内燃機関は、燃料ガスをＳＯＦＣへ供給するブロアー（ポンプ）の機能を果たす。具体的には、内燃機関が駆動することによって、ＳＯＦＣのオフガスが吸引される。その結果、さらに改質器からＳＯＦＣへ燃料ガスが吸引される。

また、内燃機関の排気ガスは、起動時の暖機に利用することができる。具体的には、燃料電池システムの起動時に、排気ガスを第１排気ガス通路に流せば、改質器が暖機される、また、排気ガスを第２排気ガス通路に流せば、ＳＯＦＣが暖機される。

さらに、内燃機関の排気ガスは、燃料電池システムの発電中、改質器の加熱に利用することができる。具体的には、内燃機関の排気ガスを、第１排気ガス通路に流せば、改質器が加熱される。

ところで、ＳＯＦＣの発電停止後に、ポンプとして内燃機関をモータにより駆動させた場合、内燃機関からは低温のパージ用空気が排気ガスとして排気される。この低温の排気ガスがＳＯＦＣに導かれると、ＳＯＦＣが、燃料極に供給されるパージ用空気よって冷却されるだけでなく、低温の排気ガスによっても冷却される。かかる状態は、ＳＯＦＣのセラミックス製の燃料極の急激な温度低下を招くため好ましくない。

一方、ＳＯＦＣの発電停止後も、ポンプとして内燃機関を燃料により燃焼駆動させた場合、内燃機関からは数百℃の高温の排気ガスが排気される。この高温の排気ガスがＳＯＦＣに導かれると、ＳＯＦＣは、燃料極に供給されるパージ用空気によって冷却されると同時に、高温の排気ガスよって加熱される。かかる状態も、ＳＯＦＣのセラミックス製の燃料極に大きな温度勾配が生じるため好ましくない。

そこで、ＳＯＦＣの発電停止後に、第２排気ガス通路を遮断することによって、排気ガスをＳＯＦＣへ導かないようにする。その結果、低温の排気ガスによるＳＯＦＣの燃料極の急激な温度低下も、高温の排気ガスによる燃料極の大きな温度勾配の発生も回避される。これにより、セラミックス製の燃料極のひび割れによる破損の防止を図ることができる。

また、本発明において、好ましくは、前記固体酸化物型燃料電池の発電によって発電された電気を蓄電する２次電池と、前記内燃機関を駆動するモータとを更に備え、前記制御手段は、前記２次電池の充電状態値が所定の基準値以上である場合に、前記２次電池に蓄電された電気によって前記モータを駆動して前記内燃機関を駆動し、かつ、前記第１及び第２排気ガス通路を遮断するとともに前記第３排気ガス通路を開放して、前記内燃機関から排出された排気ガスが前記固体酸化物型燃料電池へも前記改質器へも導かれないようにする。

ＳＯＦＣの発電停止後に、ポンプとして内燃機関をモータにより駆動させた場合、内燃機関からは低温のパージ用空気が排気ガスとして排気される。この低温の排気ガスが改質器へ導かれると、改質器が冷却されてしまう。その結果、パージ用空気を改質器を通して暖めることが困難となる。また、この低温の排気ガスがＳＯＦＣに導かれると、ＳＯＦＣのセラミックス製の燃料極の温度が急激に低下してしまう。

そこで、ＳＯＦＣの発電停止後に、第１及び２排気ガス通路を遮断し、第３排気ガス通路を開放することによって、排気ガスを改質器にもＳＯＦＣにも導かないようにする。その結果、低温の排気ガスによる改質器の冷却が回避されて、改質器の余熱によるパージ用空気の暖めが確保されるとともに、低温の排気ガスによるＳＯＦＣの燃料極の急激な温度低下も回避される。

また、本発明において、好ましくは、前記制御手段は、前記２次電池の充電状態値が所定の基準値未満である場合に、前記内燃機関を燃料で駆動し、かつ、前記第１及び第３排気ガス通路を遮断するとともに前記第１排気ガス通路を開放して、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記改質器へ導く。

ＳＯＦＣの発電停止後に、第２及び第３排気ガス通路を遮断し、第１排気ガス通路を開放することによって、内燃機関から排気される高温の排気ガスが改質器へ導入される。その結果、ＳＯＦＣの発電停止後も、高温の排気ガスによって改質器が加熱され、改質器を通るパージ用空気をより暖めることができる。

また、本発明において、好ましくは、前記固体酸化物型燃料電池の燃料極から排出されたオフガスを、前記改質器の加熱に利用するために前記改質器を経由させてから前記内燃機関へ供給するオフガス通路と、前記オフガス通路に設けられたオフガス弁と、前記オフガスを、前記改質器を経由させずに前記内燃機関へ供給するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられたバイパス弁とを備え、前記制御手段は、前記オフガス弁及び前記バイパス弁の開閉を制御し、前記固体酸化物燃料電池の発電中に、前記オフガス通路を開放するとともに前記バイパス通路を遮断して前記オフガスを前記改質器を経由して前記内燃機関へ供給させ、かつ、前記燃料極への燃料ガスの供給が停止した後に、前記オフガス通路を遮断するとともに前記バイパス通路を開放して、前記改質器を経由させずに前記オフガスを前記内燃機関へ供給させる。

ＳＯＦＣの発電が停止すると、ＳＯＦＣの燃料極から排出されるオフガスの温度が低下する。この低温のオフガスが改質器へ導かれると、改質器が冷却される。その結果、パージ用空気を改質器を通して暖めることが困難となる。

そこで、ＳＯＦＣの発電停止後に、前記オフガス通路を遮断するとともに前記バイパス通路を開放することによって、排気ガスを改質器に導かないようにする。その結果、低温のオフガスによる改質器の冷却が回避されて、改質器の余熱によるパージ用空気の暖めが確保される。

本発明の燃料電池システムによれば、ＳＯＦＣの発電停止後の燃料極における燃料ガスのパージを、簡単な構成で実現することができる。

本発明の実施形態による燃料電池システムの基本構成を示す概略図である。 本発明の実施形態による燃料電池システムのコントロールユニットの入出力関係を示すブロック図である。 本発明の実施形態による燃料電池システムの基本制御を示すローチャートである。 本発明の実施形態による燃料電池システムにおけるパージ用空気及び排気ガスの流れの制御を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による燃料電池システムにおいて、エンジンをモータにより駆動した場合のパージ用空気の流れの制御を示す概略図である。 本発明の実施形態による燃料電池システムにおいて、エンジンを燃料により駆動した場合のパージ用空気の流れの制御を示す概略図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の燃料電池システムの実施形態を説明する。
まず、図１を参照して、本発明の実施形態による燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態による燃料電池システムの基本構成を示す概略図である。

図１に示すように、第１実施形態による燃料電池システム１は、電気自動車の駆動用電源であって、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）２と、炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して水素ガスを生成する改質器３と、ＳＯＦＣ２から排出されたオフガスを燃料の一部として吸引する内燃機関としてのエンジン４とを備えている。

ＳＯＦＣ２は、燃料極（アノード）２ａと空気極（カソード）２ｂを備えている。燃料極２ａには、燃料供給通路１０により燃料ガスが供給される。燃料供給通路１０には燃料ガス弁２０が設けられている。また、ＳＯＦＣ２の空気極２ｂには、空気供給通路１１により空気が供給される。空気供給通路１１には、空気弁２１が設けられている。

また、燃料供給通路１０の途中に改質器３が設けられている。このため、燃料極２ａには、改質器３で改質された燃料ガスが供給される。燃料供給通路１０と空気供給通路１１とは、連通路１２によって連通されている。本実施形態では、連通路１２は、改質器３よりも上流側で燃料供給通路１０に接続している。連通路１２には、連通弁２２設けられている。
なお、連通路１２は、改質器３へ直接接続してもよい。

改質器３では、例えば６００〜８００℃の高温下で、メタン等の炭化水素化合物を含む燃料ガスに水蒸気が加えられることによって、炭化水素化合物が分解されて、水素が生成する。本実施形態では、燃料ガスとして液化天然ガス（liquefied petroleum gas：ＬＰＧ）を使用する。

改質器３には、エンジン４の排気ガス及びＳＯＦＣ２のオフガスによって改質器３を加熱するために、熱交換機構（図示せず）が設けられている。熱交換機構は、任意好適な構造を採用することができる。例えば、熱交換機構として、改質器３の周囲を排気ガスとオフガスを別々に通すジャケットで覆ってもよいし、改質器３の内部に、排気ガスとオフガスを別々に通す複数の配管を設けてもよい。

図１では、燃料ガス弁２０が開いているため、燃料ガスが、改質器３を介して燃料供給通路１０を通ってＳＯＦＣ２の燃料極２ａへ供給されている。また、空気弁２１が開いているため、空気が、空気供給通路１１を通ってＳＯＦＣ２の空気極２ｂへ供給されている。一方、発電中、連通弁２２は閉じているため、連通路１２は遮断されている。

なお、図１では、燃料供給通路１０を実線で示し、空気供給通路１１を破線で示し、遮断されている同通路１２を二点鎖線で示す。これらの通路は実際には配管で形成されている。また、図１に示す他の通路も配管で形成されている。また、図１では、開いている弁を白抜きで示し、閉じている弁を黒色で示す。

ＳＯＦＣ２では、燃料極２ａに供給された燃料ガス中の水素と、空気極２ｂに供給された空気中の酸素とが反応して水が生成されるとともに、電気が発生する発電反応が行われる。発電反応で発生した電気は、燃料極２ａ及び空気極２ｂそれぞれのセラミック電極に接続された二次電池（図示せず）に蓄えられる。

また、ＳＯＦＣ２には、エンジン４の排気ガスの熱によってＳＯＦＣ２を加熱するために、熱交換機構（図示せず）が設けられている。熱交換機構として、例えば、ＳＯＦＣ２の周囲を排気ガスを通すジャケットで覆ってもよいし、ＳＯＦＣ２の内部に、排気ガスを通す複数の配管を設けてもよい。

なお、従来のＳＯＦＣは、発電反応を行うために８００〜１０００℃という高い作動温度を必要としていた。しかし、近年、作動温度を例えば６５０℃ぐらいまで下げたＳＯＦＣも開発されている。発電反応は発熱反応であるため、発電反応が開始するとＳＯＦＣは自立的に加熱されて、ＳＯＦＣの作動温度が維持される。したがって、排気ガスによるＳＯＦＣ２の加熱は、ＳＯＦＣの起動時の暖機に特に有用である。

ＳＯＦＣ２の燃料極２ａから排出されたオフガスは、オフガス通路１３により、改質器３を経由して改質器３の加熱に利用されてからエンジン４の吸気ポート４１へ供給される。オフガス通路１３には、オフガス弁２３が設けられている。また、ＳＯＦＣ２の空気極２ｂから排出されたオフガスも、オフガス空気通路１４により、改質器３の熱交換機構を経由して改質器３の加熱に利用されてからエンジン４の吸気ポート４１へ供給される。

ＳＯＦＣ２から排出されたオフガスは通常、数百℃という高温である。かかる高温のオフガスは、改質器３の熱交換機構において、改質器３と熱交換される。その結果、改質器３が加熱される一方、オフガスが冷却される。これにより、オフガスの排熱の有効利用を図ることができる。

さらに、オフガス通路１３の一部分と並列する経路として、オフガスを改質器３を経由させずにエンジン４へ供給するバイパス通路１５が設けられている。バイパス通路１５にはバイパス弁２５が設けられている。

図１では、オフガス弁２３が開いているため、ＳＯＦＣ２の燃料極２ａから排出されたオフガスは、オフガス通路１３を通って、改質器３の熱交換機へ導かれる。その結果、燃料電池システムの発電中、改質器３は、燃料極２ａ及び空気極２ｂそれぞれから排出されたオフガスによって加熱される。

改質器３を経由したオフガスは、更にエンジン４の吸気ポート４１へ供給される。また、ＳＯＦＣ２の空気極２ｂから排出された空気も、オフガス空気経路１４を通って、エンジン４の吸気ポート４１に吸引される。一方、バイパス弁２５が閉じているため、バイパス通路１５は遮断されている。
なお、図１では、オフガス通路１３を実線で示し、オフガス空気通路１４を破線で示し、遮断されているバイパス通路１５を二点鎖線で示す。

エンジン４としては、吸気排気サイクルを有する内燃機関を利用することができる。例えば、エンジン４として、レシプロエンジンを採用してもよいし、ロータリーエンジンを採用してもよい。図１では、ピストン４３を備えたレシプロエンジンの例を模式的に示す。エンジン４を内燃機関として駆動する際には、エンジン４での燃焼を最適なものとするため、エンジン４の吸気ポート４１にオフガスとともに、燃料（ＬＰＧ）及び空気（Ａｉｒ）が供給される。

エンジン４でオフガスを燃料の一部として利用することによって、オフガスに含まれる未反応の水素を燃焼させることができるとともに、オフガスに含まれる未改質の炭化水素化合物も燃焼させることができる。このように、エンジン４でオフガスを燃焼させることによって、引火性の高い水素ガスを大気中に放出することを回避することができるとともに、オフガス中の炭化水素化合物を減らして、排気ガスの浄化を図ることができる。

エンジン４は車両走行のための動力源ではなく、ＳＯＦＣ２に燃料ガス及び空気を送るブロアー（ポンプ）の機能を果たす。具体的には、エンジン４は、吸気サイクルにおいて、吸気ポート４１からオフガスを吸引する。その結果、ＳＯＦＣ２の燃料極２ａでは改質器３から燃料ガス等が吸引され、かつ、空気極２ｂでは空気が吸引される。さらに、改質器３では、燃料ガスが吸引される。したがって、本実施形態による燃料電池システムでは、燃料ガスを改質器及びＳＯＦＣへ送出するためのブロアーも、空気をＳＯＦＣへ送出するためのブロアーも必要ない。

また、エンジン４のピストンロッド４４はモータ兼発電機６に連結されている。これにより、エンジン４は、オフガスを燃料の一部として内燃機関として駆動して、モータ兼発電機６で補助的に発電することもできる。また、二次電池に充電された電気を利用してモータ兼発電機６をモータとして駆動することによって、エンジン４のピストン４３を運動させることもできる。

さらに、本実施形態の燃料電池システムは、エンジン４から排出された排気ガスを改質器３の熱交換機構へ導く第１排気ガス通路１６と、エンジン４から排出された排気ガスをＳＯＦＣ２の熱交換機構へ導く第２排気ガス通路１７と、エンジン４から排出された排気ガスを、ＳＯＦＣ２及び改質器３のいずれにも導かずに排気する第３排気ガス通路１８とを備えている。第１排気ガス通路１６には、第１排気ガス弁２６が設けられている。第２排気ガス通路１７には、第２排気ガス弁２７が設けられている。また、第３排気ガス通路１８には、第３排気ガス弁２８が設けられている。

図１では、第１排気ガス弁２６が開いているため、エンジン４の排気ポート４２から排出された排気ガスは、改質器３の熱交換機に導かれる。その結果、燃料電池システムの発電中、改質器３は、排気ガスによっても加熱される。一方、第２排気ガス弁２７が閉じているため、ＳＯＦＣ２へ向かう第２排気ガス通路１７は遮断されている。また、第３排気ガス弁２８も閉じているため、第３排気ガス通路１８も遮断されている。

なお、図１では、第１排気ガス通路１６を太線で示し、遮断されている第２排気ガス通路１７及び第３排気ガス通路１８を二点鎖線で示す。各排気ガス通路１６〜１８は、共通通路部分を有し、途中で分岐している。また、各排気ガス弁２６〜２８は、各排気ガス通路１６〜１８のうちの共通通路部分以外の分岐後の部分に設けられている。第３排気ガス通路１８の配管の構造及び長さは、任意好適なものとすることができる。例えば、第１又は第２排気ガス通路の開口部を第３排気通路として、その開口部に第３排気弁２８を設けてもよい。

また、エンジン４を燃料で駆動させれば、エンジン４の排気ポート４２から数百℃の高温の排気ガスが排出される。そこで、燃料電池システムの起動時に、第２排気ガス弁２７を開いて、この排気ガスを第２排気ガス通路１７を通してＳＯＦＣ２の熱交換機へ導けば、ＳＯＦＣ２を暖機することができる。

各弁の開閉は、制御手段としてのコントロールユニット５によって制御される。
ここで、図２にコントロールユニット５の入出力関係を示すブロック図を示す。図２に示すように、コントロールユニット５には、電気自動車のイグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）のオン情報５１、エンジン回転数５２、車速５３、アクセル開度５４、二次電池の充電状態（state of charge：ＳＯＣ）５５、ＳＯＦＣ温度５６及び改質器温度５７の情報が入力される。なお、これらの情報は、それぞれ不図示のセンサによって検出される。また、コントロールユニット５は、各弁の開閉や開度を制御するだけでなく、モータ兼発電機６の動作も制御する。

次に、図３のフローチャートを参照して、コントロールユニット５による燃料電池システムの作動時の基本制御について説明する。
まず、車速、アクセル開度及び二次電池のＳＯＣの情報がコントロールユニット５に読み込まれる（Ｓ３１）。

次いで、車速及びアクセル開度から、走行に必要な電力を算出する（Ｓ３２）。
次いで、二次電池のＳＯＣからＳＯＦＣ２で発電すべき充電電力を算出する（Ｓ３３）。

次いで、算出した充電電力に応じて、ＳＯＦＣ２へ供給すべき燃料量及び空気量を算出する（Ｓ３４）。
次いで、算出した供給すべき燃料量に応じて、エンジン燃料弁２９及びエンジン空気弁２９ａの開度を制御する（Ｓ３５）。

次いで、算出した供給すべき空気量に応じて、エンジンの目標回転数を設定する（Ｓ３６）。エンジン４はブロアとしても機能するため、エンジンの回転数によって、空気供給量が調節される。
次いで、エンジン４が目標回転数となるように、エンジン４を制御する（Ｓ３７）。このようにして、車両の走行中、ＳＯＦＣ２によって適切な電力が発電される。

次に、図４のフローチャートを参照して、本実施形態における燃料電池システムの停止時に燃料極の残留燃料ガスをパージするための制御を説明する。

先ず、イグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）がオフされると（Ｓ４１で「Ｙｅｓ」の場合）、コントロールユニット５は、燃料ガス弁２０を閉じて燃料供給通路１０を遮断し、ＳＯＦＣ２への燃料ガスの供給を停止する（Ｓ４２）。

次いで、コントロールユニット５は、連通弁２２を開いて連通路１２を開放するとともに、空気弁２１を閉じて、空気弁２１より先の空気供給通路１１を遮断する（Ｓ４３）。その結果、空気供給通路１１を流れてきた空気は、パージ用空気として、連通路１２及び燃料供給通路１０を通って、改質器３へ供給される。改質器３の余熱によって暖められたパージ用空気は、ＳＯＦＣ２の燃料極２ａへ供給される。これにより、燃料極２ａの残留燃料ガスがパージされる。

このようにして、ＳＯＦＣの発電停止後の燃料極２ａにおける燃料ガスのパージが、連通路１２及び連通弁２２を設けるという簡単な構成で実現される。その結果、燃料電池システムの小型化及び低コスト化を図ることができる。

次いで、コントロールユニット５は、オフガス弁２３を閉じて、オフガス通路１３を遮断するとともに、バイパス弁２５を開いて、バイパス通路１５を開放する。その結果、ＳＯＦＣ２の燃料極２ａから排出されたパージ用空気は、改質器３を経由せずに、エンジン４の吸気ポート４１に吸入されることになる。これにより、パージ用空気によって改質器３の冷却されてしまうことを防止することができる。

次いで、コントロールユニット５は、２次電池の充電状態値（ＳＯＣ）が所定の基準値（ＳＯＣ１）以上である場合（Ｓ４５で「Ｙｅｓ」の場合）、２次電池に蓄電された電気によってモータ兼発電機６を駆動してエンジン４を駆動させる（Ｓ４６）。
なお、２次電池の充電状態は、例えば、２次電池の端子電圧といった任意好適なパラメータで表すことができる。また、基準値（ＳＯＣ１）は、任意好適な値を設定することができる。

次いで、コントロールユニット５は、第１排気ガス弁２６及び第２排気ガス弁２７を閉じて、第１排気ガス通路１６及び第２排気ガス通路１７を遮断し、かつ、第３排気ガス弁２８を閉じて、第３排気ガス通路１８を開放する。

ここで、図５に、エンジンをモータで駆動する場合のパージ用空気の流れの制御を示す。エンジン４から排出されたパージ用空気は、第３排気ガス通路１８を通って排気される。このため、パージ用空気によって、改質器３及びＳＯＦＣ２が冷却されることが回避される。
なお、図５においても、開いている弁を白抜きで示し、閉じている弁を黒色で示し、また、遮断されている通路を二点差線で示す。図６においても同様である。

モータ兼発電機６によるエンジン４の駆動は、タイマスタート（Ｓ４８）から所定の時間（Ｔ０）が経過するまで（Ｓ４９）続けられる。所定の時間（Ｔ０）は任意好適な値を設定することができる。例えば、数秒間〜数分間の時間を設定するとよい。

一方、コントロールユニット５は、２次電池の充電状態値（ＳＯＣ）が所定の基準値（）未満である場合（Ｓ４５で「Ｎｏ」の場合）に、エンジン４を燃料で駆動する（Ｓ５０）。

次いで、コントロールユニット５は、第１排気ガス弁２６を開いて、第１排気ガス通路１６を開放するとともに、第２排気ガス弁２７及び第３排気ガス弁２８を閉じて、第２排気ガス通路１７及び第３排気ガス通路１８を遮断する（Ｓ５１）。

ここで、図６に、エンジンを燃料で駆動する場合のパージ用空気及び排気ガスの流れの制御を示す。エンジン４から排気された高温の排気ガスは、第１排気ガス通路１６を通って改質器３の熱交換機構へ導かれる。その結果、ＳＯＦＣ２の発電停止後も、高温の排気ガスによって改質器３が加熱され、改質器３を通るパージ用空気が暖められる。

そして、燃料によるエンジン４の駆動も、タイマスタート（Ｓ４８）から所定の時間（Ｔ０）が経過するまで（Ｓ４９）続けられる。

また、上述の実施形態では、本発明の燃料電池システムを電気自動車の駆動用の燃料電池システムとした例について説明したが、本発明の燃料電池システムの用途は電気自動車に限定されない。

上述した実施形態では、停止時に空気弁を閉じた例について説明したが、停止時に空気弁を閉じなくともよい。なお、空気弁を閉じない場合には、空気極からのオフガスも、改質器を経由させずに、エンジンへ供給することが望ましい。

上述した実施形態では、改質器及びエンジンを備えた例について説明したが、本発明は、改質器及びエンジンの一方又は両方を備えていない場合にも適用される。

また、各弁の構造は任意好適なものを採用することができる。また、複数の弁の機能を一つの弁で兼ねてもよい。例えば、第１〜第３排気ガス弁を一つの三方弁で置き換えてもよい。

また、上述した実施形態では、ＳＯＦＣの発電停止後に、第１排気ガス通路及び第３排気ガス通路の一方を開放する例について説明したが、本発明では、第１排気ガス通路及び第３排気ガス通路の両方を開放するようにしてもよい。

本発明の燃料電池システムは、例えば、電気自動車の駆動用電源として利用可能である。

１ 燃料電池システム
２ ＳＯＦＣ
２ａ 燃料極
２ｂ 空気極
３ 改質器
４ エンジン
５ コントロールユニット
６ モータ兼発電機
１０ 燃料供給通路
１１ 空気供給通路
１２ 連通路
１３ オフガス通路
１４ オフガス空気経路
１５ バイパス通路
１６ 第１排気ガス通路
１７ 第２排気ガス通路
１８ 第３排気ガス通路
２０ 燃料ガス弁
２１ 空気弁
２２ 連通弁
２３ オフガス弁
２５ バイパス弁
２６ 第１排気ガス弁
２７ 第２排気ガス弁
２８ 第３排気ガス弁
２９ エンジン燃料弁
２９ａ エンジン空気弁
４１ 吸気ポート
４２ 排気ポート
４３ ピストン
４４ ピストンロッド

Claims (6)

1. 燃料極及び空気極を有する固体酸化物型燃料電池と、
   前記燃料極へ燃料ガスを供給する燃料供給通路と、
   前記空気極へ空気を供給する空気供給通路と、
   前記燃料供給通路と前記空気供給通路とを連通する連通路と、
   前記連通路に設けられた連通弁と、
   前記連通弁の開閉を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記固体酸化物燃料電池の発電中に前記連通路を遮断し、かつ、前記燃料極への燃料ガスの供給が停止した後、前記連通路を開放して、前記空気供給通路により供給される空気の少なくとも一部を前記燃料供給通路を介して前記燃料極へ供給させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料供給通路に、炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して水素ガスを生成する改質器を更に備え、
   前記連通路は、前記改質器で又は前記改質器よりも上流側で前記燃料供給通路に接続する、
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記固体酸化物型燃料電池から排出されたオフガスを燃料の一部として吸引する内燃機関と、
   前記内燃機関から排出された排気ガスを、前記改質器の加熱に利用するために前記改質器へ導く第１排気ガス通路と、
   前記第１排気ガス通路に設けられた第１排気ガス弁と、
   前記内燃機関から排出された排気ガスを、前記固体酸化物型燃料電池の加熱に利用するために前記固体酸化物型燃料電池へ導く第２排気ガス通路と、
   前記第２排気ガス通路に設けられた第２排気ガス弁と、
   前記内燃機関から排出された排気ガスを、前記固体酸化物型燃料電池及び改質器のいずれにも導かずに排気する第３排気ガス通路と、
   前記第３排気ガス通路に設けられた第３排気ガス弁と、を更に備え、
   前記制御手段は、前記第１、第２及び第３排気ガス弁の開閉を制御し、前記燃料極への燃料ガスの供給が停止した後、前記第２排気ガス通路を遮断するとともに前記第１排気ガス通路及び第３排気ガス通路の少なくとも一方を開放して、前記内燃機関から排出された排気ガスが前記固体酸化物型燃料電池へ導かれないようにする、
   ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記固体酸化物型燃料電池の発電によって発電された電気を蓄電する２次電池と、
   前記内燃機関を駆動するモータとを更に備え、
   前記制御手段は、前記２次電池の充電状態値が所定の基準値以上である場合に、前記２次電池に蓄電された電気によって前記モータを駆動して前記内燃機関を駆動し、かつ、前記第１及び第２排気ガス通路を遮断するとともに前記第３排気ガス通路を開放して、前記内燃機関から排出された排気ガスが前記固体酸化物型燃料電池へも前記改質器へも導かれないようにする、
   ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記２次電池の充電状態値が所定の基準値未満である場合に、前記内燃機関を燃料で駆動し、かつ、前記第１及び第３排気ガス通路を遮断するとともに前記第１排気ガス通路を開放して、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記改質器へ導く、
   ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記固体酸化物型燃料電池の燃料極から排出されたオフガスを、前記改質器の加熱に利用するために前記改質器を経由させてから前記内燃機関へ供給するオフガス通路と、
   前記オフガス通路に設けられたオフガス弁と、
   前記オフガスを、前記改質器を経由させずに前記内燃機関へ供給するバイパス通路と、
   前記バイパス通路に設けられたバイパス弁とを備え、
   前記制御手段は、前記オフガス弁及び前記バイパス弁の開閉を制御し、前記固体酸化物燃料電池の発電中に、前記オフガス通路を開放するとともに前記バイパス通路を遮断して前記オフガスを前記改質器を経由して前記内燃機関へ供給させ、かつ、前記燃料極への燃料ガスの供給が停止した後に、前記オフガス通路を遮断するとともに前記バイパス通路を開放して、前記改質器を経由させずに前記オフガスを前記内燃機関へ供給させる、
   ことを特徴とする請求項３〜５の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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