JP2019212591A - 燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの停止時における酸素の逆流によるアノード極の酸化劣化を防止しつつ、燃費の悪化を抑制可能な燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池から排出されたガスを燃焼させる燃焼器と、燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給部と、を備えた燃料電池システムの制御方法が提供される。この燃料電池システムの制御方法では、燃料電池の発電停止後に燃料電池のアノード極に酸化防止用アノードガスを供給し、燃料電池の温度、及び燃料電池の発電停止時または酸化防止用アノードガスの前回供給時からの経過時間に基づき酸化防止用アノードガスの供給量を調節する。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムに関する。

従来、水素や炭化水素等を含むアノードガス（燃料ガス）と酸素を含むカソードガス（空気）との電気化学的反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムにおいて、システム停止時に排気燃焼器を通じて酸素が逆流し、燃料電池のアノード極が酸化して、燃料電池が劣化してしまうという問題がある。

特許文献１には、アノード極の酸化劣化を防止するために必要最小限な流量以上の改質ガス（燃料）をアノード極に供給する燃料電池システムの停止方法が開示されている。このシステムでは、システム停止時に、燃料電池のアノード温度が酸化劣化点を下回るまでアノードガスをアノード極に供給する。

特許第５３２５６６０号

特許文献１に記載された燃料電池システムの停止方法では、アノード極の酸化劣化を防止するために、アノード温度が酸化劣化点を下回るまで必要最小限な流量以上のアノードガス（燃料）を供給し続ける。このため、システム停止時に消費する燃料の量が増大し、燃費が悪くなるという問題がある。

本発明の目的は、燃料電池システムの停止時における酸素の逆流によるアノード極の酸化劣化を防止しつつ、燃費の悪化を抑制可能な燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムを提供することである。

本発明の一態様によれば、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池から排出されたガスを燃焼させる燃焼器と、燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給部と、を備えた燃料電池システムの制御方法が提供される。この燃料電池システムの制御方法では、燃料電池の発電停止後に燃料電池のアノード極に酸化防止用アノードガスを供給し、燃料電池の温度、及び燃料電池の発電停止時または酸化防止用アノードガスの前回供給時からの経過時間に基づき酸化防止用アノードガスの供給量を調節する。

本発明によれば、燃料電池の発電停止後に燃料電池のアノード極に酸化防止用アノードガスを供給する。酸化防止用アノードガスの供給量は、燃料電池の温度、及び燃料電池の発電停止時または酸化防止用アノードガスの前回供給時からの経過時間に基づき調節される。これにより、燃料電池システムの停止時に、燃焼器を通じて酸素が逆流してアノードに到達することを防止するとともに、不必要なアノードガスの供給を抑制することができる。従って、燃料電池システムの停止時における酸素の逆流によるアノードの酸化劣化を防止しつつ、燃費の悪化を抑制することができる。

図１は、第１実施形態による燃料電池システムの主要構成を示す概略構成図である。 図２は、燃料電池システム停止時における燃料電池スタックの空気の状態を説明する図である。 図３は、第１実施形態による燃料電池システムの酸化防止制御を説明するブロック図である。 （ａ）は燃料電池システムの停止時の燃料電池スタック温度と時間の関係を示す図であり、（ｂ）は燃料電池システムの停止時のアノードガス体積と時間の関係を示す図である。 図５は、第１実施形態による燃料電池システムの酸化防止制御を説明するフローチャートである。 図６は、燃料電池システムの停止時における酸素ガスの拡散を説明する図である。 図７は、第２実施形態における燃料電池システムの酸化防止制御を説明するブロック図である。 図８は、アノードガスとカソードガス間の相互拡散係数と温度との関係を示す図である。 図９は、燃料電池スタックの温度を一定とした場合のアノード流路出口における酸素分圧と時間の関係を示す片対数グラフである。 図１０は、第２実施形態における燃料電池システムの酸化防止制御を説明するフローチャートである。 図１１は、第３実施形態における燃料電池システムの酸化防止制御を説明するフローチャートである。

以下、図面等を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による燃料電池システム１００の主要構成を示す概略構成図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に対して発電に必要となる燃料ガス（アノードガス）及び酸化剤ガス（カソードガス）を供給し、燃料電池スタック１を車両走行用の電動モータ等の電気負荷に応じて発電させるシステムである。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するアノード供給機構２と、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するカソード供給機構３と、燃料電池スタック１から排出された燃料オフガス（アノードオフガス）及び酸化剤オフガス（カソードオフガス）を排気する排気機構４と、燃料電池スタック１から電力を取り出して動力を得る駆動機構（図示しない）と、から構成される。また燃料電池システム１００は、システム全体の動作を制御するコントローラ５を備えている。

燃料電池スタック１はアノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック１は複数の燃料電池又は燃料電池単位セルを積層して構成され、発電源である個々の燃料電池は例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。

燃料電池スタック１には、アノード供給機構２からアノードガスが供給されるとともにカソード供給機構３からカソードガスが供給される。そして、電気化学反応後に生成されるアノードオフガスとカソードオフガスは、排気機構４を介して外部へ排出される。

アノード供給機構２は燃料供給通路２０を備え、燃料供給通路２０には、上流から順に、燃料タンク２１と、ポンプ２２と、インジェクタ２３と、蒸発器２４と、過熱器２５と、改質器２６とが設けられている。燃料供給通路２０は、燃料電池スタック１のアノード極にアノードガスを供給するための通路であり、燃料タンク２１と燃料電池スタック１内に形成されたアノード流路とを接続する。

燃料タンク２１は、改質前の原燃料として、例えば、エタノールと水との混合物から成る液体燃料を貯蔵する。液体燃料は、燃料供給通路２０のポンプ２２によりインジェクタ２３に供給され、インジェクタ２３により所定噴射量に調節されて、蒸発器２４に噴射供給される。

蒸発器２４は、インジェクタ２３から微粒化して噴射供給される液体燃料を加熱して、エタノールガス及び水蒸気からなる改質前燃料ガスを生成する。

過熱器２５は、後述する排気燃焼器４１からの燃焼ガスと改質前燃料ガスを熱交換することで、改質前燃料ガスを過熱する。

改質器２６は、改質前燃料ガスを燃料電池スタック１に供給するために適切な状態とすべく改質する。例えば、改質器２６は、図示しない改質用触媒によって改質前燃料ガスを水蒸気改質し、水素を主成分とするアノードガスを生成する。このように改質されたアノードガスは、高温状態のまま燃料電池スタック１のアノード流路に供給される。

次に、カソード供給機構３について説明する。

カソード供給機構３は、空気供給通路３０を備え、空気供給通路３０には、上流から順に、エアポンプ３１と、分岐通路３０Ａと、熱交換器３２とが設けられている。空気供給通路３０は、燃料電池スタック１のカソード極にカソードガスとしての空気を供給するための通路であり、エアポンプ３１と燃料電池スタック１内に形成されたカソード流路とを接続する。

エアポンプ３１は、空気供給通路３０の入口に設けられ、フィルタ（図示しない）を通じて外気（空気）を取り入れ、取り入れた空気を該空気供給通路３０内に圧送する。

分岐通路３０Ａは、空気供給通路３０におけるエアポンプ３１の下流位置と燃料供給通路２０における過熱器２５の上流位置とを連結するように接続される。

分岐通路３０Ａにはスロットル３３が設けられる。スロットル３３は、コントローラ５により制御され、スロットル３３の開度に応じて熱交換器３２を介して燃料電池スタック１に供給される空気流量と、燃料供給通路２０に供給される空気流量とを調整する。例えば、システム暖機時にエアポンプ３１から燃料供給通路２０に空気が供給され、燃料供給通路２０に供給された空気は、過熱器２５を介して改質器２６に送られ、改質器２６内で空気と燃料を燃焼し、燃焼ガスにより暖気が促進される。

熱交換器３２は、エアポンプ３１により供給される空気の少なくとも一部を、後述する排気燃焼器４１で生成される燃焼ガスと熱交換させて加熱する装置である。熱交換器３２により加熱された空気は燃料電池スタック１のカソード流路に供給される。

排気機構４は、排気燃焼器４１を含み、燃料電池スタック１と排気燃焼器４１とは、アノードオフガス通路４２とカソードオフガス通路４３により接続されている。また、排気燃焼器４１は、当該排気燃焼器４１で生成される燃焼ガスを外部に排出する燃焼ガス通路４０と接続している。

アノードオフガス通路４２は、一端が燃料電池スタック１のアノード流路出口に接続されるとともに、他端が排気燃焼器４１に接続されている。アノードオフガス通路４２は、燃料電池スタック１から排出される発電反応後のアノードオフガスを排気燃焼器４１に送り出す通路である。

カソードオフガス通路４３は、一端が燃料電池スタック１のカソード流路出口に接続されるとともに、他端が排気燃焼器４１に接続されている。カソードオフガス通路４３は、燃料電池スタック１から排出される発電反応後のカソードオフガスを燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガスを排気燃焼器４１に送り出す通路である。なお、カソードオフガス通路４３の燃料電池スタック１のカソード流路出口（カソード極側出口）付近には、温度センサ４０１が設けられている。温度センサ４０１は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスの温度を検出し、検出値は信号としてコントローラ５に送られる。

排気燃焼器４１は、燃料電池スタック１からアノードオフガス通路４２及びカソードオフガス通路４３を介して送られてきたアノードオフガス及びカソードオフガスを混合してその混合ガスを触媒燃焼させ、二酸化炭素や水を主成分とする燃焼ガスを生成する。排気燃焼器４１で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス通路４０から分岐する分岐通路４０Ａ及び分岐通路４０Ｂを介して燃料電池システム１００の外部に排出される。

燃焼ガス通路４０は、排気燃焼器４１で生成された燃焼ガスを外部に排出する通路であり、一端が排気燃焼器４１に接続されるとともに、他端側は分岐通路４０Ａ及び分岐通路４０Ｂに分岐している。分岐通路４０Ａは改質器２６、過熱器２５、蒸発器２４を通って外気へ連通し、分岐通路４０Ｂは熱交換器３２を通って外気へ連通している。改質器２６、過熱器２５及び蒸発器２４は、分岐通路４０Ａを通る燃焼ガスの熱との熱交換により加熱され、熱交換器３２は、分岐通路４０Ｂを通る燃焼ガスの熱との熱交換により加熱される。

次に、コントローラ５を説明する。

コントローラ５は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成され、特定のプログラムを実行することにより燃料電池システム１００の制御のための処理を実行する。例えばコントローラ５は、以下で説明するシステム停止時における制御を実行する。

次に、図２〜図５を参照して、システム停止時の制御方法について説明する。なお以下の説明においては、カソードオフガスをカソードガスとは区別せずにカソードガスと称する。同様に、アノードオフガスもアノードガスと区別せずにアノードガスと称する。

図２は燃料電池システム１００の停止時における燃料電池スタック１のカソードガスとしての空気の状態を説明する図である。燃料電池システム１００においては、燃料電池スタック１を冷却する及びスタック温度を検出する等の理由から、システム停止後も燃料電池スタック１のカソード流路には定常運転時よりも小さい微量の空気が供給され続ける。なお「定常運転」とは、システム暖機後、駆動モータや補機等の電気負荷に対して所望の発電電力を燃料電池が発電できる運転状態のことを意味する。

上記のようにカソード流路に供給された空気は、カソードオフガス通路４３を通って排気燃焼器４１へと流入する。また、燃料電池システム１００の停止時には、外気へ連通している燃焼ガス通路４０（分岐通路４０Ａ及び分岐通路４０Ｂ）を介して、微量の空気が排気燃焼器４１へと流入することもある。

燃料電池システム１００の停止直後には、アノードオフガス通路４２の内部はアノードガスで満たされているが、燃料電池スタック１の温度の低下とともに、アノードガスは体積収縮する。アノードガスの体積収縮が起こると、図２に示すようにカソードオフガス通路４３及び燃焼ガス通路４０を介して排気燃焼器４１へと流入した空気がアノードオフガス通路４２に逆流する。燃料電池スタック１の温度が高い状態において、アノードオフガス通路４２に流入した空気が燃料電池スタック１のアノード流路に到達すると、アノード極が酸化して、燃料電池スタック１が劣化してしまう。

本実施形態に係る燃料電池システム１００においては、このような問題を解決すべく、システム停止後、所定時間が経過するごとに燃料電池スタック１に酸化防止用アノードガスを供給する。これにより、空気が燃料電池スタック１のアノード流路に到達する前にアノード流路にアノードガスが供給され、酸素を含む空気は排気燃焼器４１側へと押し戻される。具体的には、以下に説明する酸化防止制御を実行する。なお、以下の制御はコントローラ５により実行される。

図３は、本実施形態における燃料電池システム１００の酸化防止制御を説明するブロック図である。なお、本ブロック図に示す各演算部の機能は、コントローラ５を構成する各ハードウェア及びソフトウェア（プログラム）により実現される。

図３に示すように、コントローラ５は、カソード温度受信部Ｂ５１と、温度低下代演算部Ｂ５２と、体積収縮によるアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５３とを有している。

カソード温度受信部Ｂ５１は、温度センサ４０１からのカソードガス温度の信号を受信する。なお、温度センサ４０１で検出される温度は、カソード流路出口付近のカソードガス温度であるが、燃料電スタック内部の温度と推定する。カソード温度受信部Ｂ５１で受信された温度信号は温度低下代演算部Ｂ５２に送られる。

図４（ａ）は燃料電池システム１００の停止時における燃料電池スタック１の温度と時間の関係を示す図である。図４（ａ）に示すように、時刻ｔ₀において燃料電池システム１００が停止されると、燃料電池スタック１の温度は時間の経過とともに徐々に低下する。

図３に戻り、温度低下代演算部Ｂ５２には、カソードガスの温度信号及び前回検出時の温度が入力される。例えばシステム停止後、一定時間が経過した時刻ｔ₁において温度を検出した場合、図４（ａ）に示す温度検出時ｔ₁における燃料電池スタック温度Ｔ₁及び前回温度検出時である燃料電池システム１００の停止時ｔ₀における燃料電池スタック温度Ｔ₀が入力される。また、時刻ｔ₁から一定時間が経過した時刻ｔ₂において温度を検出した場合は、図４（ａ）に示す温度検出時ｔ₂における燃料電池スタック温度Ｔ₂及び前回の温度検出時ｔ₁における燃料電池スタック温度Ｔ₁が入力される。

温度低下代演算部Ｂ５２では、前回検出時の温度と今回検出された温度の信号値の差から、温度低下代ΔＴを算出する。算出されたスタック温度低下代ΔＴは体積収縮によるアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５３に送られる。

体積収縮によるアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５３では、まず、スタック温度低下代ΔＴを前回の温度検出時からの経過時間Δｔで除することで、スタック温度低下速度ΔＴ［Ｋ］／Δｔ［ｓ］を算出する。例えば、時刻ｔ₂において温度を検出した場合、前回の温度検出時ｔ₁におけるスタック温度Ｔ₁と時刻ｔ₂におけるスタック温度Ｔ₂のスタック温度との差である温度低下代ΔＴ_(1-2)を前回の温度検出時ｔ₁からの経過時間Δｔ_(2-1)で除したスタック温度低下速度ΔＴ_(1-2)／Δｔ_(2-1)が算出される。次に、算出されたスタック温度低下速度ΔＴ／Δｔに基づき必要なアノードガス供給量ｆを求め、該アノードガス供給量ｆに基づきアノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆを算出する。以下、具体的な算出方法を説明する。

図４（ｂ）は、燃料電池システム１００の停止時のアノードガス体積Ｖａと時間ｔの関係を示す図である。ここでいうアノードガス体積Ｖａとは、改質器２６より下流側における燃料供給通路２０内、燃料電池スタック１のアノード流路内及びアノードオフガス通路４２内のアノードガスの体積を合計したものである。システム停止前においては、燃料供給通路２０、燃料電池スタック１のアノード流路及びアノードオフガス通路４２はアノードガスで満たされている。従って、図４（ｂ）に示すように、システムが停止されるｔ₀より前においては、アノードガス体積Ｖａは、燃料供給通路２０の改質器２６より下流側における容積、燃料電池スタック１のアノード流路の容積及びアノードオフガス通路４２の容積を合計した値（図４（ｂ）におけるシステムアノード全容積）と等しい値となる。

図４（ａ）に示すように、時刻ｔ₀において燃料電池システム１００が停止され、燃料電池スタック１の温度が徐々に低下すると、燃料電池スタック１の温度の低下とともに、アノードガスの体積収縮が起こる。従って図４（ｂ）に示すように、システム停止後、アノードガス体積Ｖａは徐々に小さくなる。ここで、アノードガスの体積Ｖａはアノードガスのモル数ｎ、温度Ｔ、圧力Ｐを用いた状態方程式である以下の式（１）により表すことができる。

（ただし、式中、Ｒは気体定数を意味する）

従って、システム停止時またはアノードガスの前回供給時から一定時間が経過した時刻ｔにおけるアノードガスの体積収縮速度ΔＶａ［Ｌ］／Δｔ［ｓ］は、スタックの温度低下速度ΔＴ［Ｋ］／Δｔ［ｓ］を用いて以下の式（２）により求めることができる。なお、式（２）における圧力Ｐは、通常は標準大気圧とする。

ここで、体積収縮により、アノードガスの体積Ｖａが、燃料供給通路２０の改質器２６より下流側における容積と燃料電池スタック１のアノード流路の容積との合計値（図４（ｂ）における燃料上流からスタックアノード出口間容積）よりも小さくなると、アノードオフガス通路４２内にアノードガスが存在していない、即ち空気がアノード流路に到達した状態となる。従って本実施形態の制御方法では、アノードガスの体積Ｖａが燃料上流からスタックアノード出口間容積（図２のＸで示される領域の容積）以下にならないように、上流側から燃料電池スタック１にアノードガスを供給する。

燃料電池スタック１に供給すべき改質後のアノードガスのモル数ｎｒｆ、即ちアノードガス供給量ｆは、アノードガスの体積収縮ΔＶａ［Ｌ］の関数である以下の式（３）により求めることができる。なお、式（３）における圧力Ｐは、通常は標準大気圧とする。

インジェクタ２３から実際に供給するアノードガス供給流量Ｆｆ［ｇ／ｓ］は、式（３）で求められたの改質後アノードガスのモル数ｎｒｆ(アノードガス供給量)の関数（式（４））として求めることができる。

以上の通り、スタック温度Ｔとシステム停止時またはアノードガスの前回供給時からの経過時間Δｔに基づき算出されるスタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔを用いて、アノードガスの体積収縮速度ΔＶａ／Δｔを算出することができる。また、アノードガスの体積収縮速度ΔＶａ／Δｔに基づき必要なアノードガス供給量ｆ（アノードガスのモル数ｎｒｆ）を算出することができる。そして算出されたアノードガス供給量ｆに基づき、アノードガス供給流量Ｆｆ［ｇ／ｓ］が決定される。なお、式（２）〜式（３）より、スタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔとアノードガス供給量ｆの関係を求めることができる。従って、スタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔとアノードガス供給量ｆの関係を予めグラフ化しておいて、該グラフによってスタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔから決定されるアノードガス供給量ｆに基づきアノードガス供給流量Ｆｆを決定することができる。また、式（２）より、体積収縮速度ΔＶａ／Δｔを、スタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔから求めることができる。従って、スタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔから推定される体積収縮速度ΔＶａ／Δｔに基づきアノードガス供給量ｆを算出することもできる。

図３に戻り、体積収縮によるアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５３は、燃料電池スタック１の温度低下速度ΔＴ／Δｔとアノードガス供給量ｆの関係を示すグラフを参照して、スタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔから必要なアノードガス供給量ｆ［ｇ］を求める。そして、アノードガス供給量ｆに基づきアノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆ［ｇ／ｓ］を算出する。なお、スタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔから推定される体積収縮速度ΔＶａ／Δｔと、アノードガス供給量ｆとの関係を示すグラフから、体積収縮速度ΔＶａ／Δｔに基づき必要なアノードガス供給量ｆを求めてもよい。

コントローラ５は、決定されたアノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆに基づきインジェクタ２３による燃料噴射量を調節する。インジェクタ２３により、アノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆのアノードガスが噴射されると、図４（ｂ）のｔ₁に示すようにアノードガス体積Ｖａが増加する。

所定時間Δｔごとにアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５３で決定された上記のアノードガス供給流量Ｆｆを噴射し、燃料電池スタック１にアノードガスを供給することで、酸素を含む空気がアノード流路に到達する前に、常に空気を排気燃焼器側へと押し戻すことができる。

なお、燃料電池システム１００の定常運転時に必要な燃料流量に対して、アノード酸化防止用の燃料供給流量は非常に小さいため、アノード酸化防止に必要な最小の燃料供給流量まで流量を絞ることができないことがある。例えば、定置用燃料電池システムの都市ガス用燃料ポンプの供給流量は、最大流量に対して、１／１０程度の流量までしか絞ることができない。本実施形態の車両用の燃料インジェクタ２３を用いた場合、最大流量に対して１／４０程度まで流量を絞ることができるが、さらに流量を小さくしたい場合、インジェクタ２３の噴霧周期を長くする、即ち、噴射から噴射までのインターバルを長くすればよい。インジェクタ２３の噴霧周期を長くすることで、１回の噴射流量を小さくするのと同様の効果を得ることができる。

以上の酸化防止制御は、燃料電池スタック１の温度が、アノード極が酸化し得る温度であるアノード酸化防止温度Ｔ_min以下になるまで行われる。燃料電池スタック１の温度がアノード酸化防止温度Ｔ_min以下になると、コントローラ５は、酸化防止制御を終了する。

以上の通り、本実施形態では、システム停止後、燃料電池スタック１の温度がアノード酸化防止温度以下になるまでの間、アノードガスの体積Ｖａを適切な量に保つように制御する。即ち、アノードガスの体積Ｖａが、システムアノード全容積（容積Ａ）と、燃料上流からスタックアノード出口間容積（容積Ｂ）との間の大きさに維持されるように、インジェクタ２３の噴射最小流量と噴射周期と容積差Ａ−Ｂを設定する。

図５は、本実施形態における燃料電池システム１００の酸化防止制御を説明するフローチャートである。なお、以下の制御はいずれもコントローラ５により実行される。

ステップＳ１１０において、コントローラ５０は、システム停止指令を受け付ける。例えば、車両のＯＦＦ操作が行われた場合、又は、燃料電池の発電停止が要求された場合等に、システム停止指令がコントローラ５０に対して送信される。

コントローラ５０は、時刻ｔ₀においてシステム停止指令を受け付けると、ステップＳ１２０において温度センサ４０１からのカソードガス温度の信号を受信する。

次にステップＳ１３０において、ステップＳ１２０において受信したカソードガス温度Ｔ_xがシステム停止時である時刻ｔ₀において取得されたカソードガス温度Ｔ₀か否かを判定する。システム停止時である時刻ｔ₀において取得されたカソードガス温度Ｔ₀であると判定された場合、ステップＳ１２０に戻り、所定時間経過後に、再び温度センサ４０１からのカソードガス温度の信号を受信する。一方、システム停止時である時刻ｔ₀において取得されたカソードガス温度Ｔ₀ではないと判定されると、ステップＳ１４０に進む。

ステップＳ１４０では、ステップＳ１２０において受信したカソードガス温度Ｔ_xが、アノード酸化防止温度Ｔ_minよりも大きいか否かが判定される。カソードガス温度Ｔ_xが、アノード酸化防止温度Ｔ_minよりも大きい場合、ステップＳ１５０に進む。一方、カソードガス温度Ｔ_xがアノード酸化防止温度Ｔ_min以下の場合、酸化防止制御を終了する。

ステップＳ１５０では、スタック温度低下代ΔＴが算出される。具体的には、まず、ステップＳ１２０において前回受信したカソードガス温度Ｔ_x-1と、ステップＳ１２０において今回受信したカソードガス温度Ｔ_xとの差である温度低下代ΔＴ_xを算出する。

次にステップＳ１６０において、ステップＳ１５０で算出したスタックの温度低下代ΔＴ_x及び今回の温度Ｔ_xの受信時刻ｔ_xから前回の温度Ｔ_x-1の受信時刻ｔ_x-1を引いた前回温度受信時からの経過時間ｔ_x−ｔ_x-1＝Δｔ_xに基づきスタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔを算出する。

次に、ステップＳ１７０において、まず、ステップＳ１６０で算出したスタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔとアノードガス供給量ｆの関係を示すグラフ（図３のＢ５３参照）を参照して、必要なアノードガス供給量ｆを求める。次に、該アノードガス供給量ｆに基づき必要なアノードガス供給流量Ｆｆを算出し、アノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆとして設定する。なお、アノードガス供給量ｆは、スタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔから推定される体積収縮速度ΔＶａ／Δｔとアノードガス供給量ｆの関係から求めてもよい。

続いてステップＳ１８０において、ステップＳ１７０で決定したアノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆに基づき、インジェクタ２３により燃料を噴射する。噴射が終了すると、ステップＳ１２０に戻り、所定時間経過後に再びカソードガス温度の信号を受信する。

上記の酸化防止制御は、ステップＳ１４０でカソードガス温度Ｔ_xがアノード酸化防止温度Ｔ_min以下であると判定されるまで繰り返し行われる。

上記した第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００においては、システム停止後、燃料電池スタック１のアノード流路（アノード極）に酸化防止用アノードガスを供給する。酸化防止用のアノードガス供給量ｆは、燃料電池スタック１の温度と、燃料電池システム１００の停止時または酸化防止用アノードガスの前回供給時からの経過時間とに基づき調節される。このように、燃料電池システム１００においては、所定時間ごとに適切な流量の酸化防止用アノードガスがアノード流路に供給される。従って、燃料電池システム１００の停止中に、アノードガスの体積収縮により排気燃焼器４１を通じて酸素が逆流してアノード流路に到達することを防止するとともに、アノード流路及びアノードオフガス通路４２に不必要な量のアノードガスを供給することを抑制できる。従って、燃料電池システム１００の停止時における酸素の逆流によるアノード極の酸化劣化を防止しつつ、燃費の悪化を抑制することができる。

燃料電池システム１００においては、システム停止後、スタックの温度低下速度またはスタックの温度低下速度から推定されるアノード極側出口と前記燃焼器との間のアノードガスの体積収縮速度に基づき酸化防止用アノードガスの供給量を調節する。従って、アノードガスの体積収縮により排気燃焼器４１を通じて酸素が逆流してアノード流路に到達することをより確実に防止するとともに、アノード流路及びアノードオフガス通路４２に不必要な量のアノードガスを供給することをより確実に抑制できる。

燃料電池システム１００においては、カソード流路出口付近のカソードガス温度を検知して、燃料電スタック１内部の温度と推定している。このため、燃料電池スタック１の内部に温度センサ４０１を設置するスペースを設ける必要がなく、燃料電池スタック１の小型化、軽量化が可能となる。

燃料電池システム１００においては、システム停止後、インジェクタ２３を用いて燃料を噴射することで燃料電池スタック１のアノード流路に酸化防止用アノードガスを供給する。インジェクタ２３は、都市ガス用燃料ポンプ等に比べ、少量の燃料を噴射することができる。従って、システム停止後に、アノード流路及びアノードオフガス通路４２に不必要な量のアノードガスを供給することを抑制できる。

また、燃料電池システム１００においては、システム停止後、インジェクタ２３を用いて所定時間ごとに燃料を噴射し、燃料電池スタック１のアノード流路及びアノードオフガス通路４２に酸化防止用アノードガスを供給する。このように、インジェクタ２３により燃料を噴射供給する場合において、噴射周期（噴射から噴射までの間隔）を長くすることで、実質的に１回の噴射流量を小さくするのと同様の効果を得ることができる。これにより、システム停止後にアノード流路に不必要な量のアノードガスを供給することを抑制できる。

なお、本実施形態では、システム停止後、所定時間Δｔごとに燃料電池スタック１のアノード流路（アノード極）に酸化防止用アノードガスを供給しているがこれに限らない。空気がアノード流路に到達しない時間の範囲内であれば、酸化防止用アノードガスの供給間隔時間を任意に定めることができる。例えば１回目と２回目のアノードガスの供給間隔時間と、２回目と３回目のアノードガスの供給間隔時間が異なっていてもよい。また、スタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔとアノードガス供給量ｆの関係を示すグラフに基づき、適量のアノードガス供給流量Ｆｆで間隔を空けずに、アノードガスを連続的に供給し続けてもよい。

また、本実施形態では、スタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔとアノードガス供給量ｆの関係から求まるアノードガス供給量ｆに基づきアノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆを決定しているが、スタックの温度低下速度からアノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆを直接決定してもよい。即ち、式（２）〜（４）に基づき、スタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔとアノードガス供給流量Ｆｆの関係を予めグラフ化しておいて、スタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔからアノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆを直接決定することもできる。

また、本実施形態では、式（２）及び式（３）における圧力Ｐを標準大気圧としたが、圧力Ｐは圧力センサ等で外気を測定し、実測値を用いてもよい。この場合、圧力の実測値Ｐに基づき、スタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔとアノードガス供給量ｆの関係を示すグラフを補正する。例えば、高地においては、圧力Ｐは小さくなるため、スタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔを横軸、アノードガス供給量ｆを縦軸に取ったグラフにおける傾きは小さくなる。一方、低地においては、圧力Ｐは大きくなるため、上記のグラフの傾きも大きくなる。このように、外気の圧力の実測値Ｐによりアノードガス供給量ｆを補正するため、圧力の影響も考慮したより正確なアノードガスの必要供給量を設定できる。これにより、燃料電池システム１００の停止時に、アノードガスの体積収縮により排気燃焼器４１を通じて酸素が逆流してアノード流路に到達することをより確実に防止できるとともに、システム停止後にアノード流路に不必要な量のアノードガスを供給することをより確実に抑制できる。

（第２実施形態）
図６〜図１０を参照して、第２実施形態の燃料電池システム１００を説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図６は燃料電池システム１００の停止時における酸素ガスの拡散を説明する図である。システム停止後、排気燃焼器４１へと流入したカソードガスとしての空気は、酸素ガスの拡散現象によってもアノードオフガス通路４２に逆流する。酸素濃度がアノード酸化濃度に達した酸素含有ガスがアノード流路に流入すると、アノード極が酸化して、燃料電池スタック１が劣化してしまう。

第２実施形態に係る燃料電池システム１００においては、酸素ガスの拡散によるアノード極の酸化を防止するために、アノード流路出口における酸素含有ガスの酸素濃度が、アノード酸化濃度に到達しないように燃料電池スタック１に酸化防止用アノードガスを供給する。これにより、アノード流路出口における酸素含有ガスの酸素濃度がアノード酸化濃度に到達して、アノード極が酸化してしまうことを防止する。具体的には、以下に説明する酸化防止制御を実行する。なお、以下の制御はコントローラ５により実行される。

図７は、第２実施形態における燃料電池システム１００の酸化防止制御を説明するブロック図である。なお、本ブロック図に示す各演算部の機能は、コントローラ５を構成する各ハードウェア及びソフトウェア（プログラム）により実現される。

図７に示すように、コントローラ５は、カソード温度受信部Ｂ５１と、酸素拡散によるアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５４とを有している。

カソード温度受信部Ｂ５１は、温度センサ４０１からのカソードガス温度の信号を受信する。第２実施形態における燃料電池システム１００においては、温度センサ４０１は燃料電池システム１００の停止時及び酸化防止用アノードガスの供給時にカソードガス温度を検出するように制御される。なお第１実施形態と同様に、温度センサ４０１で検出される温度は、燃料電池スタック１内部の温度と推定する。カソード温度受信部Ｂ５１受信された温度信号は酸素拡散によるアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５４に送られる。

酸素拡散によるアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５４には、カソード温度受信部Ｂ５１から送られるカソードガスの温度信号（燃料電池スタック１の温度）及びシステム停止時または酸化防止用アノードガス供給時の時刻ｔが入力される。例えばシステム停止時ｔ₀に検出されたスタック温度Ｔ₀及び時刻ｔ₀が入力される。また、時刻ｔ₁においてアノードガスを供給した場合、ｔ₁におけるスタック温度Ｔ₁及び時刻ｔ₁が入力される。

酸素拡散によるアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５４では、燃料電池スタック温度Ｔ及びシステム停止時またはアノードガスの前回供給時からの経過時間Δｔに基づき、アノード酸化防止用目標燃料供給流量Ｆｆを算出する。以下、具体的な算出方法を説明する。

図８は、アノードガス（水素ガス）とカソードガス（空気）間の相互拡散係数Ｄと温度との関係を示す図である。図８に示す通り、温度が高いほど、相互拡散係数Ｄは大きくなる。ここで、酸素と水素間の相互拡散係数Ｄは、スタック温度Ｔ［Ｋ］に基づき、以下の式（５）から求めることができる。なお、式（５）における圧力Ｐ［Ｐａ］は、通常は標準大気圧とする。また、本実施形態においては、ｍ_aは酸素質量数［ｇ/ｍｏｌ］、ｍ_bは水素質量数［ｇ/ｍｏｌ］であり、式中のσは衝突断面積［ｃｍ²］、ωは衝突積分を意味する。

アノードオフガス通路４２内の酸素ガス濃度Ｃｏ₂は、拡散係数Ｄを用いた拡散方程式である以下の式（６）で表すことができる。なお、式（６）におけるｘは、排気燃焼器４１からのアノードオフガス通路４２の中心距離（図６参照）である。

また、燃料電池スタック１のアノード流路出口における酸素分圧Ｐｏ₂［Ｐａ］は、排気燃焼器４１からアノード流路出口までの距離をＬ（図６参照）とすると、酸素質量数ｍ_a［ｇ/ｍｏｌ］、気体定数Ｒ、燃料電池スタック１の温度Ｔ［Ｋ］、時間ｔ［ｓ］を用いて、以下の式（７）で表すことができる。

従って、式（６）の拡散方程式に基づき、式（７）から、アノード流路出口における酸素分圧Ｐｏ₂［Ｐａ］と時間ｔ［ｓ］の関係を求めることができる。

図９は、燃料電池スタック１の温度Ｔを一定とした場合のアノード流路出口における酸素分圧Ｐｏ₂［Ｐａ］と時間ｔ［ｓ］の関係を示す片対数グラフ（酸素分圧片対数グラフ）である。図９に示すように、アノード流路出口における酸素分圧Ｐｏ₂は、時間ｔの経過とともに大きくなる。即ち、アノード流路出口における酸素濃度の値は時間の経過とともに大きくなる。アノード流路出口における酸素分圧Ｐｏ₂が所定の値を超えると、酸素含有ガスがアノード酸化濃度に達して、アノード極が酸化してしまう。

また、式（５）〜式（７）より、酸素分圧Ｐｏ₂は温度の増加関数として表される。従って、燃料電池スタック１の温度Ｔが減少すると、図９における酸素分圧Ｐｏ₂の曲線は下にシフトする。

酸素拡散によるアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５４では、以下に説明する方法により、アノードガスを供給する所定時間Δｔ［ｓ］と、アノード酸化防止用目標燃料供給流量Ｆｆ［ｇ／ｓ］を決定する。

酸素拡散によるアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５４では、まず、システム停止時ｔ₀における燃料電池スタック１の温度Ｔ₀に基づき決定される酸素分圧片対数グラフから、アノード酸化濃度に達するような酸素分圧Ｐｏ₂に到達するまでの時間Δｔ_maxが推定される。次に、アノード酸化濃度に達するまでの時間Δｔ_maxを超えない範囲でアノードガス供給予定時刻ｔ₁までの所定時間Δｔ［ｓ］を決定する。ここで決定された所定時間Δｔが経過するごとにアノードガスが供給されることになる。

続いて、酸素拡散によるアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５４は、システム停止時ｔ₀における燃料電池スタック１の温度Ｔ₀に基づき決定される酸素分圧片対数グラフを参照して、時刻ｔ_xにおいてどれだけの供給量のアノードガスを供給すればよいかを算出する。即ち、システム停止時ｔ₀からアノードガス供給予定時刻ｔ_xまでの所定経過時間Δｔに基づき、アノードガス供給予定時刻ｔ_xにおけるアノードガス供給量ｆ［ｇ］を決定する。アノードガス供給量ｆとしては、システム停止時ｔ₀における燃料電池スタック１の温度Ｔ₀に基づき決定される酸素分圧片対数グラフを参照して、例えばアノード流路出口における酸素分圧Ｐｏ₂をゼロにするような量のアノードガス供給量ｆが算出される。

所定経過時間Δｔが経過して、アノードガスが供給された後は、アノードガス供給時ｔ_xにおける燃料電池スタック１の温度Ｔ_xに基づき決定される酸素分圧片対数グラフを参照して、時刻ｔ_xから時間Δｔだけ経過した後の時刻ｔ_x+1においてどれだけの供給量のアノードガスを供給すればよいかを算出する。即ち、前回のアノードガス供給時ｔ₁からアノードガス供給予定時刻ｔ_x+1までの所定経過時間Δｔに基づき、アノードガス供給予定時刻ｔ_x+1におけるアノードガス供給量ｆを決定する。

続いて、算出されたアノードガス供給量ｆに基づき、アノード酸化防止用目標燃料供給流量Ｆｆ［ｇ／ｓ］を決定する。

このように酸素拡散によるアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５４では、まず、システム停止時ｔ₀における燃料電池スタック１の温度Ｔ₀に基づきアノードガス供給予定時刻までの所定時間Δｔを決定する。次に、所定時間Δｔが経過するごとに、アノードガスの前回供給時からの経過時間Δｔ及び燃料電池スタック１の温度Ｔに基づきアノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆを算出する。

コントローラ５は、決定されたアノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆに基づきインジェクタ２３による燃料噴射量を調節する。アノードガス供給予定時刻ｔまでの時間Δｔが経過すると、インジェクタ２３により、アノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆのアノードガスが噴射され、アノード流路出口における酸素含有ガスの酸素濃度は減少する。

このように、酸素拡散によるアノード酸化防止用目標燃料流量演算部Ｂ５４で決定された上記のアノードガス供給流量Ｆｆを噴射し、燃料電池スタック１にアノードガスを供給することで、アノード流路出口における酸素含有ガスの酸素濃度がアノード酸化濃度に到達することを防止できる。

以上の酸化防止制御は、燃料電池スタック１の温度が、アノードが酸化し得る温度であるアノード酸化防止温度以下になるまで行われる。燃料電池スタック１の温度がアノード酸化防止温度以下になると、コントローラ５は、酸化防止制御を終了する。

なお、燃料電池スタック１の温度は、時間の経過とともに低下するので、酸素分圧片対数グラフにおける酸素分圧Ｐｏ₂の曲線は時間とともに下方向にシフトする。従って、時刻ｔ₀において決定された所定時間Δｔは、時間が経過してもアノード酸化濃度に達するまでの時間Δｔ_maxを超えることはない。このため、システム停止時ｔ０に所定時間Δｔを決定してしまえば、アノードガスの供給間隔（＝Δｔ）がアノード酸化濃度に達するまでの時間Δｔ_maxを超えてしまう恐れは無い。

図１０は、第２実施形態における燃料電池システム１００の酸化防止制御を説明するフローチャートである。なお、以下の制御はいずれもコントローラ５により実行される。

ステップＳ２１０において、コントローラ５０はシステム停止指令を受け付ける。

コントローラ５０は、時刻ｔ₀においてシステム停止指令を受け付けると、ステップＳ２２０において温度センサ４０１からのカソードガス温度の信号を受信する。

次にステップＳ２３０において、ステップＳ２２０において受信したカソードガス温度Ｔ_xが、アノード酸化防止温度Ｔ_minよりも大きいか否かが判定される。カソードガス温度Ｔ_xが、アノード酸化防止温度Ｔ_minよりも大きい場合、ステップＳ２４０に進む。一方、カソードガス温度Ｔ_xがアノード酸化防止温度Ｔ_min以下の場合、酸化防止制御を終了する。

次にステップＳ２４０において、ステップＳ２２０において受信したカソードガス温度Ｔ_xが、システム停止時の温度Ｔ₀であるか否かが判定される。システム停止時の温度Ｔ₀であると判定された場合、ステップＳ２５０に進む。一方、システム提示の温度Ｔ₀ではないと判定された場合、ステップＳ２６０に進む。

次にステップＳ２５０において、システム停止時の温度Ｔ₀から決定される拡散係数Ｄに基づく酸素分圧Ｐｏ₂と時間Δｔの関係を示すグラフを参照して、アノードガスを供給する所定時間Δｔ［ｓ］を決定する。即ち、まず、時刻ｔ₀におけるスタック温度Ｔ₀から決定される酸素分圧片対数グラフに基づき、アノード酸化濃度に達するような酸素分圧Ｐｏ₂に到達するまでの時間Δｔ_maxを推定する。次に、Δｔ_maxを超えない範囲でアノードガスを供給する所定経過時間Δｔ［ｓ］を決定する。

ステップＳ２６０では、ステップＳ２２０で受信した燃料電池スタック１の温度Ｔ_xから決定される拡散係数Ｄに基づく酸素分圧Ｐｏ₂と時間ｔの関係を示すグラフを参照して、所定時間Δｔ経過後の時刻ｔ_x+1に供給すべきアノードガス供給量ｆ［ｇ］を算出する。即ち、燃料電池スタック１の温度Ｔ及びシステム停止時またはアノードガスの前回供給時からの経過時間Δｔに基づき、アノードガス供給量ｆを算出する。続いて、算出したアノードガス供給量ｆに基づき、アノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆ［ｇ／ｓ］を決定する。

次にステップＳ２７０において、ステップＳ２５０で決定したアノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆに基づき、インジェクタ２３の噴射量を調節する。アノードガス供給予定時刻ｔ_x+1までの所定時間Δｔが経過した後、アノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆに基づきインジェクタ２３により燃料を噴射する。噴射が終了すると、ステップＳ２２０に戻り、噴射終了時のカソードガス温度Ｔ_x+1の信号を受信する。

上記の酸化防止制御は、ステップＳ２３０でカソードガス温度Ｔがアノード酸化防止温度Ｔ_min以下であると判定されるまで繰り返し行われる。

上記した第２実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００においては、システム停止後、燃料電池スタック１のアノード流路（アノード極）に酸化防止用アノードガスを供給する。コントローラ５は、燃料電池システム１００の停止時またはアノードガスの前回供給時の燃料電池スタック１の温度Ｔから決定される拡散係数Ｄに基づく酸素分圧方対数グラフを参照して、アノードガス供給予定時刻までの時間Δｔ及び必要なアノードガス供給量ｆを算出する。そして算出されたアノードガス供給量ｆに基づき、アノード酸化防止用目標燃料供給流量Ｆｆが決定され、アノードガス供給量ｆが調節される。このように、燃料電池システム１００の停止時またはアノードガスの前回供給時の燃料電池スタック１の温度Ｔまたは温度Ｔから決定される拡散係数Ｄと、燃料電池システム１００の停止時またはアノードガスの前回供給時からの経過時間Δｔとに基づき、適切な流量のアノードガスがアノード流路に供給される。従って、燃料電池システム１００の停止時に、酸素ガスの拡散によりアノード流路出口における酸素含有ガスの酸素濃度がアノード酸化濃度に到達して、アノード極が酸化劣化することを防止しつつ、燃費の悪化を抑制することができる。

なお、カソード流路出口付近のカソードガス温度を検知して、燃料電スタック１内部の温度と推定していることによる効果は第１実施形態と同様である。

また、燃料の噴射にインジェクタ２３を用いていることによる効果、及び噴射周期（噴射から噴射までの間隔）を長くすることで、実質的に１回の噴射流量を小さくできる点も、第１実施形態と同様である。

なお、本実施形態では、所定時間Δｔごとにアノードガスを供給しているが、これに限らない。アノードガス供給予定時刻ｔまでの時間Δｔを、アノード酸化濃度に達するまでの時間Δｔ_maxを超えない範囲で毎回任意に決定し、毎回任意に決定された経過時間Δｔに基づき必要な供給量のアノードガスを算出して供給するようにしてもよい。

また、本実施形態では、燃料電池スタック１の温度Ｔと、燃料電池システム１００の停止時またはアノードガスの前回供給時から今回の供給予定時までの経過時間Δｔに基づき、アノードガス供給量ｆを調節しているが、アノードガス供給量ｆは一定にし、供給時間（タイミング）のみを制御してもよい。例えば、燃料電池スタック１の温度Ｔからアノード酸化濃度に達するまでの時間Δｔ_maxを推定し、アノード酸化濃度に達するまでの時間Δｔ_maxが経過する前に毎回決まった流量のアノードガスを供給するように制御してもよい。このように毎回一定流量のアノードを供給する場合、アノードガスの供給時間（タイミング）のみを算出すればよく、より簡易な制御方法でアノード極が酸化劣化することを防止しつつ、燃費の悪化を抑制することができる。

また、本実施形態では、式（５）における圧力Ｐを標準大気圧としたが、圧力Ｐは圧力センサ等で外気を測定し、実測値を用いてもよい。この場合、圧力の実測値Ｐに基づき、酸素分圧Ｐｏ₂と時間ｔの関係を示すグラフ（酸素分圧片対数グラフ）を補正する。例えば、高地においては、圧力Ｐは小さくなるため、拡散係数Ｄが大きくなり、図９の酸素分圧片対数グラフにおける酸素分圧Ｐｏ₂の曲線は、酸素分圧Ｐｏ₂の上昇速度がより大きくなる方向に補正される。即ち、アノード酸化濃度に達するまでの時間Δｔ_maxは短くなる。一方、低地においては、圧力Ｐは大きくなるため、図９のグラフにおける酸素分圧Ｐｏ₂の曲線は、酸素分圧Ｐｏ₂［Ｐａ］の上昇速度がより小さくなる方向に補正される。即ち、アノード酸化濃度に達するまでの時間Δｔ_maxは長くなる。このように、外気の圧力の実測値によりアノードガス供給量ｆを補正するため、圧力の影響も考慮したより正確なアノードガスの必要供給量を設定できる。これにより、燃料電池システム１００の停止時に、酸素ガスの拡散によりアノード流路出口における酸素含有ガスの酸素濃度がアノード酸化濃度に到達して、アノード極が酸化劣化することをより確実に防止できるとともに、システム停止後にアノード流路に不必要な量のアノードガスを供給することをより確実に抑制できる。

（第３実施形態）
図１１を参照して、第３実施形態の燃料電池システム１００を説明する。なお、第１実施形態及び第２実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１１は、第３実施形態における燃料電池システム１００の酸化防止制御を説明するフローチャートである。第３実施形態においては、第１実施形態と同様の制御により算出された体積収縮によるアノードガス供給量と、第２実施形態と同様の制御により算出された酸素拡散によるアノードガス供給量のうち、大きい方をアノードガス供給量として用いる。なお、以下の制御はいずれもコントローラ５により実行される。

ステップＳ２１１において、コントローラ５０は、システム停止指令を受け付ける。

コントローラ５０は、時刻ｔ₀においてシステム停止指令を受け付けると、ステップＳ２２１において温度センサ４０１からのカソードガス温度の信号を受信する。

次にステップＳ２３１において、ステップＳ２２１において受信したカソードガス温度Ｔ_xが、アノード酸化防止温度Ｔ_minよりも大きいか否かが判定される。カソードガス温度Ｔ_xが、アノード酸化防止温度Ｔ_minよりも大きい場合、ステップＳ２４１に進む。一方、カソードガス温度Ｔ_xがアノード酸化防止温度Ｔ_min以下の場合、酸化防止制御を終了する。

次にステップＳ２４１において、ステップＳ２２１において受信したカソードガス温度Ｔ_xが、システム停止時の温度Ｔ₀であるか否かが判定される。システム停止時の温度Ｔ₀であると判定された場合、ステップＳ２５１に進む。一方、システム提示の温度Ｔ₀ではないと判定された場合、ステップＳ２６１に進む。

次にステップＳ２５１では、第２実施形態と同様に、システム停止時の温度Ｔ₀から決定される拡散係数Ｄに基づく酸素分圧Ｐｏ₂と時間Δｔの関係を示すグラフを参照して、アノードガスを供給する所定時間Δｔ［ｓ］を決定する。即ち、アノード酸化濃度に達するまでの時間Δｔ_maxを超えない範囲でアノードガスを供給する所定時間Δｔ［ｓ］を決定する。

ステップＳ２６１では、第２実施形態と同様に、ステップＳ２２０で受信した燃料電池スタック１の温度Ｔ_xから決定される酸素分圧Ｐｏ₂と時間ｔの関係を示すグラフを参照して、所定時間Δｔ経過後の時刻ｔ_x+1に供給すべき第１の酸化防止用アノードガス供給量ｆ₁を算出する。

次にステップＳ１２１に進み、コントローラ５０は、所定時間Δｔ［ｓ］経過後の時刻ｔ_x+1において、温度センサ４０１からのカソードガス温度Ｔ_x+1の信号を受信する。

ステップＳ１５１に進み、ステップＳ２２１において受信したカソードガス温度Ｔ_xとステップＳ１２１において受信したカソードガス温度Ｔ_x+1との差である温度低下代Ｔ_x−Ｔ_x+1＝ΔＴを算出する。

次にステップＳ１６１において、ステップＳ１５１で算出したスタックの温度低下代ΔＴ及びステップＳ１２１における温度Ｔ_x+1の受信時刻ｔ_x+1からステップＳ２２１における温度Ｔ_xの受信時刻ｔ_xを引いた前回温度受信時からの経過時間ｔ_x+1−ｔ_x＝Δｔに基づきスタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔを算出する。

次に、ステップＳ１７１において、第１実施形態と同様に、ステップＳ１６１で算出したスタックの温度低下速度ΔＴ／Δｔ（または体積収縮速度ΔＶａ／Δｔ）とアノードガス供給量ｆの関係を示すグラフ（図３のＢ５３参照）を参照して、供給すべき第２の酸化防止用アノードガス供給量ｆ₂を求める。

ステップＳ３００において、ステップＳ２６１で算出されたき第１の酸化防止用アノードガス供給量ｆ₁と、ステップＳ１７１で算出された第２の酸化防止用アノードガス供給量ｆ₂を比較し、大きい方を酸化防止用アノードガス供給量ｆとする。そして該酸化防止用アノードガス供給量ｆに基づき必要なアノードガス供給流量Ｆｆを算出し、アノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆ［ｇ／ｓ］とする。

ステップＳ３１０において、ステップＳ３００で算出されたアノード酸化防止用目標燃料流量Ｆｆに基づきインジェクタ２３により燃料を噴射する。噴射が終了すると、ステップＳ２２１に戻り、噴射終了時のカソードガス温度の信号を受信する。

上記の酸化防止制御は、ステップＳ２３１でカソードガス温度Ｔ_xがアノード酸化防止温度Ｔ_min以下であると判定されるまで繰り返し行われる。

上記した第３実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００においては、まず、酸素の拡散係数Ｄ及びシステム停止時またはアノードガスの前回供給時からの経過時間に基づき、第１の酸化防止用アノードガス供給量ｆ₁を算出する。次に、システム停止時またはアノードガスの前回供給時からの温度低下速度に基づき第２の酸化防止用アノードガス供給量ｆ₂を算出する。そして、第１の酸化防止用アノードガス供給量ｆ₁と、第２の酸化防止用アノードガス供給量ｆ₂のうち大きい方を酸化防止用アノードガス供給量ｆとしている。即ち、酸素拡散による酸素の逆流を抑制するために算出された酸化防止用アノードガス供給量と、体積収縮による酸素の逆流を抑制するために算出された酸化防止用アノードガス供給量のうち大きい方を酸化防止用アノードガス供給量としている。これにより、より確実にアノード極が酸化劣化することを防止できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

なお、いずれの実施形態においても、燃料電池スタック１のカソード流路出口付近のカソードガス温度を燃料電池スタック１の温度と推定しているが、必ずしもこれに限らない。例えば、燃料電池スタック１の内部に温度センサ４０１を設けて、燃料電池スタック１の温度を直接検知してもよい。

１ 燃料電池スタック
２ アノード供給機構
３ カソード供給機構
４ 排気機構
５ コントローラ
４０ 燃焼ガス通路
４１ 排気燃焼器
４２ アノードオフガス通路
４３ カソードオフガス通路
１００ 燃料電池システム

Claims (9)

1. アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給部と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の発電停止後に前記燃料電池のアノード極に酸化防止用アノードガスを供給し、
   前記燃料電池の温度、及び前記燃料電池の発電停止時または酸化防止用アノードガスの前回供給時からの経過時間に基づき酸化防止用アノードガスの供給量を調節する燃料電池システムの制御方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料電池の発電停止時または酸化防止用アノードガスの前回供給時からの燃料電池の温度低下速度に基づき酸化防止用アノードガスの供給量を調節する燃料電池システムの制御方法。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料電池の温度低下速度から推定される前記燃料電池のアノード極側出口と前記燃焼器との間のアノードガスの体積収縮速度に基づき酸化防止用アノードガスの供給量を調節する燃料電池システムの制御方法。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料電池の温度から推定される前記燃焼器から前記燃料電池のアノード極に向かう酸素の拡散係数及び前記燃料電池の発電停止時または酸化防止用アノードガスの前回供給時からの経過時間に基づき酸化防止用アノードガスの供給量を調節する燃料電池システムの制御方法。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料電池の温度から推定される前記燃焼器から前記燃料電池のアノード極に向かう酸素の拡散係数及び前記燃料電池の発電停止時または酸化防止用アノードガスの前回供給時からの経過時間に基づき第１の酸化防止用アノードガスの供給量を算出し、
   前記燃料電池の発電停止時または酸化防止用アノードガスの前回供給時からの前記燃料電池の温度低下速度に基づき第２の酸化防止用アノードガスの供給量を算出し、
   前記第１の酸化防止用アノードガスの供給量と前記第２の酸化防止用アノードガスの供給量のうち大きい方を酸化防止用アノードガスの供給量とする燃料電池システムの制御方法。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料電池の温度は、前記燃料電池のカソード極側出口において検知されたカソードガス温度から推定される前記燃料電池内部の温度である燃料電池システムの制御方法。
7. 請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制御方法において、
   システム外部で検知された外気圧に基づき酸化防止用アノードガスの供給量を補正する燃料電池システムの制御方法。
8. 請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記アノードガス供給部は、インジェクタを用いて前記燃料電池にアノードガスを供給し、
   酸化防止用アノードガスの供給量が前記インジェクタの最小噴射量より小さい場合は、前記インジェクタによる噴射周期を長くする燃料電池システムの制御方法。
9. アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されたガスを燃焼させる燃焼器と、
   前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給部と、
   前記燃料電池に供給するアノードガス供給量を制御する制御部と、を備え、
   前記アノードガス供給部は、前記燃料電池の発電停止後に前記燃料電池のアノード極に酸化防止用アノードガスを供給し、
   前記制御部は、前記燃料電池の温度、及び前記燃料電池の発電停止時または酸化防止用アノードガスの前回供給時からの経過時間に基づき酸化防止用アノードガスの供給量を調節する、
   燃料電池システム。

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