JP2023081178A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックを停止する停止処理時、燃料電池スタックの温度が所定の温度に達するまでの時間を短縮する。【解決手段】燃料電池システムは、発電停止処理部（８０）および冷却処理部（８２）を有する。発電停止処理部（８０）は、発電時に調整可能な流量範囲の下限よりも低く設定された発電停止用流量で原燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する。冷却処理部（８２）は、燃料電池スタックの代表温度が発電可能温度を下回った場合に、原燃料ガスの供給を停止し、発電時に調整可能な流量範囲の上限よりも大きく設定された冷却用流量で酸化剤ガスを供給する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

特許文献１には、燃料電池モジュールを有する燃料電池システムが開示されている。燃料電池モジュールは、燃料電池スタックと、部分酸化改質器とを有する。燃料電池システムの起動時に、部分酸化改質器は、原燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを改質する。部分酸化改質器で発生する高温の還元ガスが燃料電池スタックに供給されることにより、燃料電池スタックが加温される。

特開２０１３－８９４９９号公報

上記特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池スタックを停止する停止処理を開示していない。一般的に、燃料電池スタックの温度が所定の温度に達するまでの時間は長い傾向にあり、当該時間を短縮することが課題に挙げられる。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明の第１の態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池セルが収容される燃料電池スタックを含むパワーユニットと、前記燃料ガスの原燃料ガスを前記パワーユニットに供給する原燃料供給ポンプと、前記酸化剤ガスを前記パワーユニットに供給する酸化剤供給機とを有する燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度センサと、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、発電時に調整可能な流量範囲の下限よりも低く設定された発電停止用流量で前記原燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを供給する発電停止処理部と、前記燃料電池スタックの代表温度が、前記燃料電池スタックが発電可能となる発電可能温度を下回った場合に、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、前記原燃料ガスの供給を停止し、前記流量範囲の上限よりも大きく設定された冷却用流量で前記酸化剤ガスを供給する冷却処理部と、を備える。

本発明の第２の態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池セルが収容される燃料電池スタックを含むパワーユニットと、前記燃料ガスの原燃料ガスを前記パワーユニットに供給する原燃料供給ポンプと、前記酸化剤ガスを前記パワーユニットに供給する酸化剤供給機とを有する燃料電池システムの制御方法であって、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、発電時に調整可能な流量範囲の下限よりも低く設定された発電停止用流量で前記原燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを供給する発電停止処理ステップと、前記燃料電池スタックの代表温度が、前記燃料電池スタックが発電可能となる発電可能温度を下回った場合に、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、前記原燃料ガスの供給を停止し、前記流量範囲の上限よりも大きく設定された冷却用流量で前記酸化剤ガスを供給する冷却処理ステップと、を含む。

本発明によれば、発電時よりも多い酸化剤ガスを冷却媒体として燃料電池スタックに供給することができ、当該燃料電池スタックの温度降下率を高めることができる。この結果、燃料電池スタックの温度が所定の温度に達するまでの時間を短縮することができる。

図１は、一実施形態による燃料電池システムを示す図である。 図２は、制御装置の構成を示すブロック図である。 図３は、燃料電池スタックの温度の推移と、原燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量とを示す図である。 図４は、酸化剤ガスの流れを示す図である。 図５は、燃料電池スタック、水蒸気改質器の触媒および部分酸化改質器の触媒の温度の推移を示す図である。 図６は、制御装置の制御処理の手順を示すフローチャートである。

図１は、一実施形態による燃料電池システム１０を示す図である。燃料電池システム１０は、原燃料供給ポンプ１２と、水供給ポンプ１４と、酸化剤供給機１５と、パワーユニット２０と、電力調整装置２２とを有する。

原燃料供給ポンプ１２は、原燃料ガスをパワーユニット２０に供給する。原燃料ガスは、天然ガス、石油ガス等である。原燃料ガスは、メタン、エタン、プロパン、或いはブタン等の炭化水素を含む。水供給ポンプ１４は、水をパワーユニット２０に供給する。酸化剤供給機１５は、第１酸化剤供給ポンプ１６および第２酸化剤供給ポンプ１８を含む。第１酸化剤供給ポンプ１６および第２酸化剤供給ポンプ１８は、それぞれ、酸化剤ガスをパワーユニット２０に供給する。酸化剤ガスは、空気等である。酸化剤ガスは、酸素を含む。

パワーユニット２０は、原燃料ガス、酸化剤ガスおよび水を用いて直流電力を生成し、当該直流電力を電力調整装置２２に出力する。電力調整装置２２は、パワーユニット２０から出力された直流電力を交流電力に変換し、交流電力を電気設備に出力する。電気設備として、例えば、家屋に設けられた家庭用電気設備等が挙げられる。

パワーユニット２０は、原燃料供給流路３２と、水供給流路３４と、第１酸化剤供給流路３６と、第２酸化剤供給流路３８と、第３酸化剤供給流路４０と、燃料排ガス流路４２と、酸化剤排ガス流路４４と、燃焼排ガス流路４６とを有する。また、パワーユニット２０は、部分酸化改質器（ＰＯｘ）４８と、水蒸気改質器（ＳＲ）５０と、燃焼器５２と、燃料電池スタック５４と、第１熱交換器５６と、第２熱交換器５８と、第１開閉弁６０と、第２開閉弁６２とを有する。

原燃料供給流路３２は、原燃料供給ポンプ１２から出力される原燃料ガスを燃料電池スタック５４に供給するための流路である。原燃料供給流路３２の一端は、原燃料供給ポンプ１２に接続される。原燃料供給流路３２の他端は、燃料電池スタック５４の燃料ガス入口部５４－１に接続される。

水供給流路３４は、水供給ポンプ１４から出力される水を原燃料供給流路３２に供給するための流路である。水供給流路３４の一端は、水供給ポンプ１４に接続される。水供給流路３４の他端は、原燃料供給流路３２に接続される。原燃料供給流路３２において水供給流路３４が接続される接続部位よりも下流の流路部分には、第１熱交換器５６、部分酸化改質器４８および水蒸気改質器５０がこの順に設けられる。

第１酸化剤供給流路３６は、第１酸化剤供給ポンプ１６から出力される酸化剤ガスを燃料電池スタック５４に供給するための流路である。第１酸化剤供給流路３６の一端は、第１酸化剤供給ポンプ１６に接続される。第１酸化剤供給流路３６の他端は、燃料電池スタック５４の酸化剤ガス入口部５４－２に接続される。第１酸化剤供給流路３６には、第２熱交換器５８が設けられる。

第２酸化剤供給流路３８は、第２酸化剤供給ポンプ１８から出力される酸化剤ガスを第１酸化剤供給流路３６に供給するための流路である。第２酸化剤供給流路３８の一端は、第２酸化剤供給ポンプ１８に接続される。第２酸化剤供給流路３８の他端は、第１酸化剤供給流路３６に接続される。第２酸化剤供給流路３８には、第１開閉弁６０が設けられる。

第３酸化剤供給流路４０は、第２酸化剤供給流路３８を流れる酸化剤ガスを部分酸化改質器４８に供給するための流路である。第３酸化剤供給流路４０の一端は、第１開閉弁６０と第２酸化剤供給ポンプ１８との間の第２酸化剤供給流路３８の流路部分に接続される。第３酸化剤供給流路４０の他端は、部分酸化改質器４８に接続される。第３酸化剤供給流路４０には、第２開閉弁６２が設けられる。

燃料排ガス流路４２は、燃料電池スタック５４から排出される燃料排ガスを燃焼器５２に供給するための流路である。燃料排ガス流路４２の一端は、燃料電池スタック５４の燃料ガス出口部５４－３に接続される。燃料排ガス流路４２の他端は、燃焼器５２に接続される。

酸化剤排ガス流路４４は、燃料電池スタック５４から排出される酸化剤排ガスを燃焼器５２に供給するための流路である。酸化剤排ガス流路４４の一端は、燃料電池スタック５４の酸化剤ガス出口部５４－４に接続される。酸化剤排ガス流路４４の他端は、燃焼器５２に接続される。

燃焼排ガス流路４６は、燃焼器５２から排出される燃焼排ガスをパワーユニット２０の外部に供給するための流路である。燃焼排ガス流路４６の一端は、燃焼器５２に接続される。燃焼排ガス流路４６の他端は開放端であり、パワーユニット２０の外部に配置される。燃焼排ガス流路４６には、水蒸気改質器５０、部分酸化改質器４８、第１熱交換器５６および第２熱交換器５８がこの順に設けられる。

部分酸化改質器４８には、第２酸化剤供給ポンプ１８から第３酸化剤供給流路４０を介して供給される酸化剤ガスと、原燃料供給ポンプ１２から原燃料供給流路３２を介して供給される原燃料ガスとが流入する。部分酸化改質器４８は、原燃料ガスに含まれる炭化水素を、酸化剤ガスに含まれる酸素で部分酸化させることにより、水素ガスおよび一酸化炭素ガスを含む改質ガスを生成する。この改質には触媒が用いられる。部分酸化改質器４８が生成した改質ガスは、原燃料供給流路３２を介して燃料電池スタック５４の燃料ガス入口部５４－１から燃料電池スタック５４に流入する。

水蒸気改質器５０には、原燃料供給ポンプ１２から原燃料供給流路３２を介して供給される原燃料と水蒸気とを含む混合ガスが流入する。水蒸気は、水供給ポンプ１４から水供給流路３４を介して原燃料供給流路３２に流入する水が第１熱交換器５６で昇温されることにより生成される。水蒸気改質器５０は、原燃料に含まれる炭化水素を改質して、水素ガスおよび二酸化炭素ガスを含む改質ガスを生成する。この改質には触媒が用いられる。水蒸気改質器５０が生成した改質ガスは、原燃料供給流路３２を介して燃料電池スタック５４の燃料ガス入口部５４－１から燃料電池スタック５４に流入する。

燃焼器５２は、点火プラグ５２Ｘを有する。点火プラグ５２Ｘは、燃料電池スタック５４から供給される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを点火する。燃焼器５２は、点火プラグ５２Ｘによる点火によって燃焼を開始し、燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを燃焼させる。燃料排ガスおよび酸化剤排ガスの燃焼によって得られた燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路４６を介してパワーユニット２０の外部に排出される。

燃料電池スタック５４は、複数の固体酸化物形燃料電池セル５５を収容する。複数の固体酸化物形燃料電池セル５５は、積層される。各固体酸化物形燃料電池セル５５は、アノード電極５５－１と、カソード電極５５－２と、電解質膜５５－３とを有する。電解質膜５５－３は、アノード電極５５－１およびカソード電極５５－２に挟まれる。電解質膜５５－３に用いられる材料は、酸素イオン導電性を有する安定化ジルコニア等の酸化物である。

燃料電池スタック５４では、部分酸化改質器４８または水蒸気改質器５０から供給される改質ガス（燃料ガス）と、第２熱交換器５８から供給される空気とが、各固体酸化物形燃料電池セル５５に分配される。各固体酸化物形燃料電池セル５５は、改質ガスと空気との電気化学反応により発電する。

各固体酸化物形燃料電池セル５５のカソード電極５５－２では、空気から酸素イオンが生成される。カソード電極５５－２で未反応の空気を含む酸化剤排ガスは、各固体酸化物形燃料電池セル５５から集められ、燃料電池スタック５４の酸化剤ガス出口部５４－４から排出される。

一方、各固体酸化物形燃料電池セル５５のアノード電極５５－１では、改質ガスに含まれる水素ガス、一酸化炭素ガスが、電解質膜５５－３を透過した酸素イオンと反応して、水（水蒸気）および二酸化炭素ガスと、電子とが生成される。アノード電極５５－１で生成された水（水蒸気）および二酸化炭素ガスを含む燃料排ガスは、各固体酸化物形燃料電池セル５５から集められ、燃料電池スタック５４の燃料ガス出口部５４－３から排出される。

燃料電池システム１０は、スタック温度センサ６４と、第１改質器温度センサ６６と、第２改質器温度センサ６８と、制御装置７０とをさらに有する。

スタック温度センサ６４は、燃料電池スタック５４の温度を検出するためのセンサである。本実施形態では、スタック温度センサ６４は、燃料電池スタック５４の酸化剤ガス出口部５４－４に設置される。

第１改質器温度センサ６６は、水蒸気改質器５０の触媒の温度を検出するためのセンサである。第１改質器温度センサ６６は、水蒸気改質器５０の触媒に設置されてもよいし、水蒸気改質器５０の触媒の近傍に配置されてもよい。

第２改質器温度センサ６８は、部分酸化改質器４８の触媒の温度を検出するためのセンサである。第２改質器温度センサ６８は、部分酸化改質器４８の触媒に設置されてもよいし、部分酸化改質器４８の触媒の近傍に配置されてもよい。

制御装置７０は、燃料電池スタック５４の温度、電圧および発電電力のうちの少なくとも１つに基づいて、燃料電池スタック５４の発電電力を調整する。この場合、制御装置７０は、原燃料供給ポンプ１２、水供給ポンプ１４、第１酸化剤供給ポンプ１６、第２酸化剤供給ポンプ１８、第１開閉弁６０および第２開閉弁６２のうちの少なくとも１つを制御する。

燃料電池スタック５４が安定的に発電を行うためには、燃料電池スタック５４の温度が所定温度（発電可能温度）以上になる必要がある。そのため、まず初めに、制御装置７０は、第１酸化剤供給ポンプ１６を制御して、所定の流量範囲内の流量で酸化剤ガスを燃料電池スタック５４に供給する。流量範囲は、発電時に調整可能な流量の範囲であり、予め設定される。また、制御装置７０は、原燃料供給ポンプ１２および第２酸化剤供給ポンプ１８を制御して、所定の流量範囲内の流量で原燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する。この場合、制御装置７０は、第１開閉弁６０を閉じるとともに第２開閉弁６２を開ける。これにより、原燃料ガスおよび酸化剤ガスが部分酸化改質器４８に供給される。

部分酸化改質器４８では、炭化水素と酸素との部分酸化反応により改質ガスが生成される。部分酸化反応では摂氏数百度の高熱が発生するため、改質ガスは高温になる。高温の改質ガスは、水蒸気改質器５０を介して燃料電池スタック５４に流入するため、水蒸気改質器５０および燃料電池スタック５４が昇温される。

部分酸化改質器４８で改質ガスが生成されている段階においては、燃料電池スタック５４の温度が所定温度（発電可能温度）に達していない。このため、燃料電池スタック５４に流入した改質ガスおよび酸化剤ガスは、各固体酸化物形燃料電池セル５５でほとんど電気化学反応しない。したがって、改質ガスおよび酸化剤ガスは、概ねそのまま燃料排ガスおよび酸化剤排ガスとして、燃料電池スタック５４から流出する。

燃料電池スタック５４から流出した燃料排ガスおよび酸化剤排ガスは、燃焼器５２で燃焼される。この燃焼により得られる燃焼排ガスは、水蒸気改質器５０、部分酸化改質器４８、第１熱交換器５６および第２熱交換器５８を経由する燃焼排ガス流路４６を流れる。このため、燃焼排ガス流路４６に設けられた水蒸気改質器５０、部分酸化改質器４８、第１熱交換器５６および第２熱交換器５８は、燃焼排ガスによって昇温する。これにより、
第１酸化剤供給流路３６を通る酸化剤ガスも、第２熱交換器５８で昇温され、燃料電池スタック５４に流入する。また、原燃料供給流路３２を通る原燃料ガスも、第１熱交換器５６で昇温され、燃料電池スタック５４に流入する。このため、酸化剤ガスおよび原燃料ガスも、燃料電池スタック５４の昇温に寄与する。

制御装置７０は、第１改質器温度センサ６６によって検出される温度に基づいて、水蒸気改質器５０の触媒温度を推定する。水蒸気改質器５０の触媒温度が水蒸気改質に必要な温度に達すると、制御装置７０は、部分酸化改質器４８による改質を停止させ、水蒸気改質器５０による改質を開始させる。この場合、制御装置７０は、第２酸化剤供給ポンプ１８を制御して酸化剤ガスの供給を停止し、水供給ポンプ１４を制御して所定の流量範囲内の流量で水を供給する。

これにより、原燃料供給ポンプ１２から原燃料ガスが流入する原燃料供給流路３２に水が流入し、当該水は原燃料供給流路３２に設けられた第１熱交換器５６で水蒸気に変化する。原燃料ガスと水蒸気とを含む混合ガスは、原燃料供給流路３２を介して水蒸気改質器５０に流入する。水蒸気改質器５０では、炭化水素が水蒸気で改質され、当該改質により得られた改質ガスは、原燃料供給流路３２を介して燃料電池スタック５４に流入する。また、燃料電池スタック５４には、第１酸化剤供給ポンプ１６から第１酸化剤供給流路３６を介して酸化剤ガスが流入する。

燃料電池スタック５４の温度が所定温度（発電可能温度）に達していない段階においては、ごく一部の改質ガスおよび酸化剤ガスが、各固体酸化物形燃料電池セル５５で電気化学反応する。燃料電池スタック５４の温度が高くなるにつれて、改質ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応の量が多くなる。燃料電池スタック５４の温度が所定温度（発電可能温度）に達すると、燃料電池スタック５４による通常の発電が、安定的に継続して行われる。

図２は、制御装置７０の構成を示すブロック図である。制御装置７０は、記憶部７２、入力部７４、表示部７６および信号処理部７８を有する。

記憶部７２は、ＲＡＭ等の揮発性メモリと、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスク等の不揮発性メモリとを含む。記憶部７２の少なくとも一部が、信号処理部７８に備えられていてもよい。入力部７４は、ユーザの操作に応じて入力される情報を信号処理部７８に出力する。表示部７６は、信号処理部７８から供給される信号に基づいて、情報を表示する。

信号処理部７８は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等のプロセッサを含む。また、信号処理部７８は、発電停止処理部８０、冷却処理部８２、再起動処理部８４、設定部８６および冷却停止処理部８８を有する。発電停止処理部８０、冷却処理部８２、再起動処理部８４、設定部８６および冷却停止処理部８８は、記憶部７２に記憶されているプログラムをプロセッサが処理することで実現されてもよい。また、発電停止処理部８０、冷却処理部８２、再起動処理部８４、設定部８６および冷却停止処理部８８の少なくとも１つが、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の集積回路によって実現されてもよい。また、発電停止処理部８０、冷却処理部８２、再起動処理部８４、設定部８６および冷却停止処理部８８の少なくとも１つが、ディスクリートデバイスを含む電子回路によって構成されてもよい。

発電停止処理部８０は、発電を停止する停止指令を入力部７４から受けると、原燃料供給ポンプ１２を制御して、発電停止用流量で原燃料ガスを供給する。発電停止用流量は、発電を停止するために予め設定された流量であり、発電時に調整可能な流量範囲の下限よりも小さい。同様に、発電停止処理部８０は、水供給ポンプ１４を制御して発電停止用流量で水を供給し、第１酸化剤供給ポンプ１６を制御して発電停止用流量で酸化剤ガスを供給する。

図３は、燃料電池スタック５４の温度の推移と、原燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量とを示す図である。原燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量が減少すると（図３のＦ１、Ｆ２参照）、燃料電池スタック５４から排出される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスの量が少なくなる。したがって、燃焼器５２での燃料排ガスおよび酸化剤排ガスの燃焼量が少なくなり、燃料電池スタック５４の温度が時間経過に応じて徐々に下がる（図３のＣＴ１参照）。

冷却処理部８２は、スタック温度センサ６４によって検出される温度（スタック温度）を代表温度として取得する。本実施形態では、スタック温度センサ６４は、燃料電池スタック５４の酸化剤ガス出口部５４－４（図１）に設置されている。このため、酸化剤ガス出口部５４－４の温度が代表温度である。

冷却処理部８２は、代表温度を発電可能温度と比較する。代表温度が発電可能温度を下回った場合、冷却処理部８２は、原燃料供給ポンプ１２を制御して原燃料ガスの供給を停止し、水供給ポンプ１４を制御して水の供給を停止する（図３のＦ３参照）。これにより、水蒸気改質器５０から燃料電池スタック５４に流入する改質ガスがなくなる。したがって、燃料電池スタック５４による発電は完全に停止する。

さらに、代表温度が発電可能温度を下回った場合、冷却処理部８２は、酸化剤供給機１５を制御して冷却用流量で酸化剤ガスを供給する。冷却用流量は、燃料電池スタック５４を冷却するために予め設定された流量であり、発電時に調整可能な流量範囲の上限よりも大きい。

図４は、酸化剤ガスの流れを示す図である。本実施形態では、冷却処理部８２は、第１開閉弁６０を開けるとともに第２開閉弁６２を閉じ、第２酸化剤供給ポンプ１８を制御して冷却用流量で酸化剤ガスを供給する。これにより、第１酸化剤供給ポンプ１６から供給される酸化剤ガスに、第２酸化剤供給ポンプ１８から供給される酸化剤ガスが加わる。このため、燃料電池スタック５４に供給される酸化剤ガスが増量する（図３のＦ４参照）。増量した酸化剤ガスは冷却媒体として機能するため、燃料電池スタック５４の温度降下率が高まる（図３のＣＴ２参照）。この温度降下率は、原燃料ガスとともに酸化剤ガスの供給を停止した場合の温度降下率（図３のＣＴ３参照）と比較して大幅に大きい。この結果、燃料電池スタック５４が室温相当に到達するまでの時間を大幅に短縮することができる（図３のＴＭ参照）。

なお、冷却処理部８２は、発電停止用流量で第１酸化剤供給ポンプ１６から供給される酸化剤ガスの流量を、冷却用流量に変更してもよい。これにより、燃料電池スタック５４の温度降下率をより一段と高めることができる。

図５は、燃料電池スタック５４、水蒸気改質器５０の触媒および部分酸化改質器４８の触媒の温度の推移を示す図である。再起動処理部８４は、スタック温度センサ６４によって検出される温度（スタック温度）を第１温度閾値と比較する。燃料電池スタック５４には、ある温度にまで下がらない状態で再び温度を上げると、故障等が生じてしまう特定部材が含まれる。この特定部材として固体酸化物形燃料電池セル５５が挙げられる。この固体酸化物形燃料電池セル５５を保護するために必要な温度（第１保護温度）が第１温度閾値として設定される。第１温度閾値は、燃料電池スタック５４の発電可能温度よりも低く、規定値よりも高い。

また、再起動処理部８４は、第１改質器温度センサ６６によって検出される温度（第１改質器温度）を第２温度閾値と比較する。水蒸気改質器５０には、上述の特定部材として触媒が挙げられる。この水蒸気改質器５０の触媒を保護するために必要な温度（第２保護温度）が第２温度閾値として設定される。第２温度閾値は、燃料電池スタック５４の発電可能温度よりも低く、規定値よりも高い。なお、第２温度閾値は、第１温度閾値と同じであってもよいし、第１温度閾値よりも高くてもよい。

さらに、再起動処理部８４は、第２改質器温度センサ６８によって検出される温度（第２改質器温度）を第３温度閾値と比較する。部分酸化改質器４８には、上述の特定部材として触媒が挙げられる。この部分酸化改質器４８の触媒を保護するために必要な温度（第３保護温度）が第３温度閾値として設定される。第３温度閾値は、燃料電池スタック５４の発電可能温度よりも低く、規定値よりも高い。なお、第３温度閾値は、第１温度閾値と同じであってもよいし、第１温度閾値よりも高くてもよい。また、第３温度閾値は、第２温度閾値と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

スタック温度が第１温度閾値を下回り、かつ、第１改質器温度が第２温度閾値を下回り、かつ、第２改質器温度が第２温度閾値を下回った場合、再起動処理部８４は、燃料電池スタック５４による発電を再開させるために、燃料電池スタック５４を再起動する。したがって、室温相当に到達する前に再起動することによる、燃料電池スタック５４、部分酸化改質器４８および水蒸気改質器５０の故障を回避しながら、燃料電池スタック５４を再起動することができる。また、スタック温度、第１改質器温度および第２改質器温度が室温相当に到達してから再起動する場合と比較して、燃料電池スタック５４の温度が発電可能温度になるまでの時間を短縮することができる。この結果、メンテナンスのために燃料電池スタック５４での発電を停止する必要があるが、当該発電の停止後、燃料電池スタック５４の温度が室温に達する前の段階で室温に達する部品等を早期にメンテナンスすることが可能となる。

再起動処理部８４による再起動処理は次のように実行される。すなわち、再起動処理部８４は、原燃料供給ポンプ１２を制御して、発電時の流量範囲の流量で原燃料ガスを供給し、水供給ポンプ１４を制御して、発電時の流量範囲の流量で水を供給する。これにより、水蒸気改質器５０による改質が再開される。また、再起動処理部８４は、酸化剤供給機１５を制御して、発電時の流量範囲の流量で酸化剤ガスを供給する。本実施形態では、再起動処理部８４は、第２酸化剤供給ポンプ１８を制御して酸化剤ガスの供給を停止し、第１酸化剤供給ポンプ１６を制御して、発電時の流量範囲の流量で酸化剤ガスを供給する。これにより、水蒸気改質器５０から供給される改質ガスと、第１酸化剤供給ポンプ１６から供給される酸化剤ガスとの電気化学反応が燃料電池スタック５４において再開する。したがって、燃料電池スタック５４による発電が再開する。

設定部８６は、再起動処理部８４による処理を実行させるか否かをユーザに設定させる。設定部８６は、ユーザ操作に応じて、入力部７４から供給される情報に基づいて、再起動処理部８４による処理を実行させるか否かを判定する。

再起動処理部８４による処理を実行させると判定した場合、設定部８６は、再起動処理部８４による処理を有効に設定する。この場合、燃料電池スタック５４の温度が室温に達する前に、再起動処理部８４による上述の処理が実行され、冷却処理部８２による燃料電池スタック５４の冷却が自動的に終了する。

逆に、再起動処理部８４による処理を実行させないと判定した場合、設定部８６は、再起動処理部８４による処理を無効に設定する。この場合、再起動処理部８４による上述の処理が実行されずに、冷却処理部８２による燃料電池スタック５４の冷却が継続する。

冷却停止処理部８８は、スタック温度センサ６４によって検出される温度（スタック温度）を第４温度閾値と比較する。第４温度閾値は、第１温度閾値、第２温度閾値および第３温度閾値よりも小さい。例えば、室温に相当する温度が第４温度閾値として設定される。スタック温度が第４温度閾値を下回った場合、冷却停止処理部８８は、酸化剤供給機１５を制御して酸化剤ガスの供給を停止する。本実施形態では、冷却停止処理部８８は、第１酸化剤供給ポンプ１６を制御して酸化剤ガスの供給を停止するとともに、第２酸化剤供給ポンプ１８を制御して酸化剤ガスの供給を停止する。

次に、上述した燃料電池システム１０の制御方法を説明する。図６は、制御装置７０の制御処理の手順を示すフローチャートである。発電を停止する停止指令を制御装置７０が受けると、制御処理が開始される。

ステップＳ１において、発電停止処理部８０は、原燃料供給ポンプ１２を制御して発電停止用流量で原燃料ガスを供給し、水供給ポンプ１４を制御して発電停止用流量で水を供給し、第１酸化剤供給ポンプ１６を制御して発電停止用流量で酸化剤ガスを供給する。原燃料ガス、水および酸化剤ガスの供給が発電停止用流量で始まると、制御処理はステップＳ２に移行する。

ステップＳ２において、冷却処理部８２は、スタック温度センサ６４によって検出される温度（スタック温度）を代表温度として取得し、当該代表温度を発電可能温度と比較する。代表温度が発電可能温度を下回っていない場合（ステップＳ２：ＮＯ）、制御処理はステップＳ２に留まる。逆に、代表温度が発電可能温度を下回った場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、制御処理はステップＳ３に移行する。

ステップＳ３において、冷却処理部８２は、原燃料供給ポンプ１２を制御して原燃料ガスの供給を停止し、水供給ポンプ１４を制御して水の供給を停止する。また、冷却処理部８２は、酸化剤供給機１５を制御して冷却用流量で酸化剤ガスを供給する。本実施形態では、冷却処理部８２は、第１開閉弁６０を開けるとともに第２開閉弁６２を閉じ、第２酸化剤供給ポンプ１８を制御して冷却用流量で酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスの供給が冷却用流量で始まると、制御処理はステップＳ４に移行する。

ステップＳ４において、設定部８６は、再起動するか否かを判定する。設定部８６は、再起動処理部８４による処理を有効に設定した場合、再起動すると判定する（ステップＳ４：ＹＥＳ）。この場合、制御処理はステップＳ５に進む。逆に、設定部８６は、再起動処理部８４による処理を無効に設定した場合、再起動しないと判定する（ステップＳ４：ＮＯ）。この場合、制御処理はステップＳ７に進む。

ステップＳ５において、再起動処理部８４は、スタック温度センサ６４によって検出される温度（スタック温度）を第１温度閾値と比較する。また、再起動処理部８４は、第１改質器温度センサ６６によって検出される温度（第１改質器温度）を第２温度閾値と比較する。さらに、再起動処理部８４は、第２改質器温度センサ６８によって検出される温度（第２改質器温度）を第３温度閾値と比較する。各比較結果が次の条件を満たさない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、制御処理は、ステップＳ５に留まる。逆に、各比較結果が次の条件を満たす場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、制御処理は、ステップＳ６に移行する。条件は、スタック温度が第１温度閾値を下回り、かつ、第１改質器温度が第２温度閾値を下回り、かつ、第２改質器温度が第３温度閾値を下回る場合である。

ステップＳ６において、再起動処理部８４は、原燃料供給ポンプ１２を制御して、発電時の流量範囲の流量で原燃料ガスを供給する。また、再起動処理部８４は、水供給ポンプ１４を制御して、発電時の流量範囲の流量で水を供給する。さらに、再起動処理部８４は、酸化剤供給機１５を制御して、発電時の流量範囲の流量で酸化剤ガスを供給し始める。本実施形態では、再起動処理部８４は、第２酸化剤供給ポンプ１８を制御して酸化剤ガスの供給を停止し、第１酸化剤供給ポンプ１６を制御して、発電時の流量範囲の流量で酸化剤ガスを供給する。原燃料ガス、水および酸化剤ガスの供給が発電時の流量範囲の流量で始まると、制御処理は終了する。

ステップＳ７において、冷却停止処理部８８は、スタック温度センサ６４によって検出される温度（スタック温度）を第４温度閾値と比較する。スタック温度が第４温度閾値を下回っていない場合（ステップＳ７：ＮＯ）、制御処理はステップＳ７に留まる。逆に、スタック温度が第４温度閾値を下回った場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、制御処理はステップＳ８に進む。

ステップＳ８において、冷却停止処理部８８は、酸化剤供給機１５を制御して酸化剤ガスの供給を停止する。本実施形態では、冷却停止処理部８８は、第１酸化剤供給ポンプ１６を制御して酸化剤ガスの供給を停止するとともに、第２酸化剤供給ポンプ１８を制御して酸化剤ガスの供給を停止する。酸化剤ガスの供給が停止されると、制御処理は終了する。

上記実施形態は、以下のように変形されることとしてもよい。

（変形例１）
部分酸化改質器４８、第３酸化剤供給流路４０、第１開閉弁６０および第２開閉弁６２は、パワーユニット２０に備えられていなくてもよい。本変形例の場合、第２酸化剤供給ポンプ１８から供給される酸化剤ガスは、燃料電池スタック５４を冷却するための冷却媒体としてのみ用いられる。

（変形例２）
第２酸化剤供給流路３８、第１開閉弁６０および第２開閉弁６２は、パワーユニット２０に備えられていなくてもよい。本変形例の場合、第２酸化剤供給ポンプ１８は、第３酸化剤供給流路４０に接続される。また、本変形例の場合、冷却処理部８２は、第１酸化剤供給ポンプ１６を制御して、酸化剤ガスの流量を、発電停止用流量から冷却用流量に変更する。

（変形例３）
スタック温度センサ６４は、燃料電池スタック５４の酸化剤ガス出口部５４－４以外に設置されてもよい。この場合、スタック温度センサ６４は、スタック温度センサ６４によって検出される温度に基づいて代表温度を推定し得る。また、スタック温度センサ６４は、燃料電池スタック５４に複数設置されてもよい。この場合、冷却処理部８２は、複数のスタック温度センサ６４の各々によって検出される温度の平均を代表温度として取得し得る。

本発明は、上述した実施形態および変形例に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を取り得る。

上記の実施形態および変形例から把握しうる発明および効果を以下に記載する。

（１）本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池セル（５５）が収容される燃料電池スタック（５４）を含むパワーユニット（２０）と、前記燃料ガスの原燃料ガスを前記パワーユニットに供給する原燃料供給ポンプ（１２）と、前記酸化剤ガスを前記パワーユニットに供給する酸化剤供給機（１５）とを有する燃料電池システム（１０）である。前記燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度センサ（６４）と、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、発電時に調整可能な流量範囲の下限よりも低く設定された発電停止用流量で前記原燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを供給する発電停止処理部（８０）と、前記燃料電池スタックの代表温度が、前記燃料電池スタックが発電可能となる発電可能温度を下回った場合に、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、前記原燃料ガスの供給を停止し、前記流量範囲の上限よりも大きく設定された冷却用流量で前記酸化剤ガスを供給する冷却処理部（８２）と、を備える。

これにより、発電時に流量よりも多い酸化剤ガスを冷却媒体として燃料電池スタックに供給することができ、当該燃料電池スタックの温度降下率を高めることができる。この結果、燃料電池スタックの温度が所定の温度に達するまでの時間を短縮することができる。

（２）本発明は、燃料電池システムであって、前記酸化剤供給機は、第１酸化剤供給ポンプ（１６）および第２酸化剤供給ポンプ（１８）を有し、前記パワーユニットは、前記燃料電池スタックと前記第１酸化剤供給ポンプとに接続される第１酸化剤供給流路（３６）と、前記第１酸化剤供給流路と前記第２酸化剤供給ポンプとに接続される第２酸化剤供給流路（３８）と、前記第２酸化剤供給流路に設けられる第１開閉弁（６０）とを有し、前記発電停止処理部は、前記第１開閉弁を閉じ、前記第１酸化剤供給ポンプを制御して前記酸化剤ガスを供給し、前記冷却処理部は、前記第１開閉弁を開け、前記第１酸化剤供給ポンプおよび前記第２酸化剤供給ポンプを制御して前記酸化剤ガスを供給してもよい。これにより、第１酸化剤供給ポンプのみが備えられる場合に比べて、燃料電池スタックに供給可能な酸化剤ガス量を多くすることができる。したがって、燃料電池スタックの温度降下率をより一段と高めることができる。

（３）本発明は、燃料電池システムであって、前記パワーユニットは、前記原燃料ガスと前記酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器（４８）と、前記第２酸化剤供給流路と前記部分酸化改質器とに接続される第３酸化剤供給流路（４０）と、前記第３酸化剤供給流路に設けられる第２開閉弁（６２）とを有してもよい。これにより、部分酸化改質に用いる酸化剤ガスと、燃料電池スタックの冷却に用いる酸化剤ガスとを共用することができ、この結果、酸化剤ガスを供給するためのポンプ数を削減することができる。

（４）本発明は、燃料電池システムであって、前記スタック温度センサは、前記燃料電池スタックの酸化剤ガス出口部（５４－４）に設けられ、前記代表温度は、前記スタック温度センサによって検出される温度であってもよい。これにより、１つのスタック温度センサによって燃料電池スタック全体の温度を精度良く捕捉することができる。

（５）本発明は、燃料電池システムであって、前記スタック温度センサによって検出される温度が、前記発電可能温度よりも低く規定値よりも高い第１温度閾値を下回った場合に、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、前記流量範囲の流量で前記原燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを供給する再起動処理部（８４）を有してもよい。これにより、室温相当に到達する前に再起動することによる、燃料電池スタックの故障を回避しながら、燃料電池スタックを再起動することができる。この結果、メンテナンスのために燃料電池スタックでの発電を停止する必要があるが、当該発電の停止後、燃料電池スタックの温度が室温に達する前の段階で室温に達する部品等を早期にメンテナンスすることが可能となる。

（６）本発明は、燃料電池システムであって、前記パワーユニットは、前記原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器（５０）と、前記水蒸気改質器の温度を検出する第１改質器温度センサ（６６）とを有し、前記スタック温度センサによって検出される温度が前記第１温度閾値を下回り、かつ、前記第１改質器温度センサによって検出される温度が前記発電可能温度よりも低く規定値よりも高い第２温度閾値を下回った場合に、前記再起動処理部は、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御してもよい。これにより、室温相当に到達する前に再起動することによる、水蒸気改質器の故障を回避しながら、燃料電池スタックを再起動することができる。

（７）本発明は、燃料電池システムであって、前記パワーユニットは、前記原燃料ガスと前記酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器と、前記部分酸化改質器の温度を検出する第２改質器温度センサ（６８）とを有し、前記スタック温度センサによって検出される温度が前記第１温度閾値を下回り、かつ、前記第１改質器温度センサによって検出される温度が第２温度閾値を下回り、かつ、前記第２改質器温度センサによって検出される温度が前記発電可能温度よりも低く規定値よりも高い第３温度閾値を下回った場合に、前記再起動処理部は、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御してもよい。これにより、部分酸化改質器の故障を回避しながら、燃料電池スタックを再起動することができる。

（８）本発明は、燃料電池システムであって、前記再起動処理部による処理を実行させるか否かをユーザに設定させる設定部（８６）を有してもよい。これにより、メンテナンス等が必要な場合にのみ、再起動処理部による処理を実行させることができる。

（９）本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池セルが収容される燃料電池スタックを含むパワーユニットと、前記燃料ガスの原燃料ガスを前記パワーユニットに供給する原燃料供給ポンプと、前記酸化剤ガスを前記パワーユニットに供給する酸化剤供給機とを有する燃料電池システムの制御方法であって、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、発電時に調整可能な流量範囲の下限よりも低く設定された発電停止用流量で前記原燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを供給する発電停止処理ステップ（Ｓ１）と、前記燃料電池スタックの代表温度が、前記燃料電池スタックが発電可能となる発電可能温度を下回った場合に、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、前記原燃料ガスの供給を停止し、前記流量範囲の上限よりも大きく設定された冷却用流量で前記酸化剤ガスを供給する冷却処理ステップ（Ｓ３）と、を含む。

これにより、発電時に流量よりも多い酸化剤ガスを冷却媒体として燃料電池スタックに供給することができ、当該燃料電池スタックの温度降下率を高めることができる。この結果、燃料電池スタックの温度が所定の温度に達するまでの時間を短縮することができる。

１０…燃料電池システム １２…原燃料供給ポンプ
１４…水供給ポンプ １５…酸化剤供給機
１６…第１酸化剤供給ポンプ １８…第２酸化剤供給ポンプ
２０…パワーユニット ２２…電力調整装置
３２…原燃料供給流路 ３４…水供給流路
３６…第１酸化剤供給流路 ３８…第２酸化剤供給流路
４０…第３酸化剤供給流路 ４２…燃料排ガス流路
４４…酸化剤排ガス流路 ４６…燃焼排ガス流路
４８…部分酸化改質器 ５０…水蒸気改質器
５２…燃焼器 ５４…燃料電池スタック
５６…第１熱交換器 ５８…第２熱交換器
６０…第１開閉弁 ６２…第２開閉弁
８０…発電停止処理部 ８２…冷却処理部
８４…再起動処理部 ８６…設定部
８８…冷却停止処理部

Claims (9)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池セルが収容される燃料電池スタックを含むパワーユニットと、前記燃料ガスの原燃料ガスを前記パワーユニットに供給する原燃料供給ポンプと、前記酸化剤ガスを前記パワーユニットに供給する酸化剤供給機とを有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度センサと、
   前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、発電時に調整可能な流量範囲の下限よりも低く設定された発電停止用流量で前記原燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを供給する発電停止処理部と、
   前記燃料電池スタックの代表温度が、前記燃料電池スタックが発電可能となる発電可能温度を下回った場合に、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、前記原燃料ガスの供給を停止し、前記流量範囲の上限よりも大きく設定された冷却用流量で前記酸化剤ガスを供給する冷却処理部と、
   を備える、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記酸化剤供給機は、第１酸化剤供給ポンプおよび第２酸化剤供給ポンプを有し、
   前記パワーユニットは、前記燃料電池スタックと前記第１酸化剤供給ポンプとに接続される第１酸化剤供給流路と、前記第１酸化剤供給流路と前記第２酸化剤供給ポンプとに接続される第２酸化剤供給流路と、前記第２酸化剤供給流路に設けられる第１開閉弁とを有し、
   前記発電停止処理部は、前記第１開閉弁を閉じ、前記第１酸化剤供給ポンプを制御して前記酸化剤ガスを供給し、
   前記冷却処理部は、前記第１開閉弁を開け、前記第１酸化剤供給ポンプおよび前記第２酸化剤供給ポンプを制御して前記酸化剤ガスを供給する、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記パワーユニットは、前記原燃料ガスと前記酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器と、前記第２酸化剤供給流路と前記部分酸化改質器とに接続される第３酸化剤供給流路と、前記第３酸化剤供給流路に設けられる第２開閉弁とを有する、燃料電池システム。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記スタック温度センサは、前記燃料電池スタックの酸化剤ガス出口部に設けられ、
   前記代表温度は、前記スタック温度センサによって検出される温度である、燃料電池システム。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記スタック温度センサによって検出される温度が、前記発電可能温度よりも低く規定値よりも高い第１温度閾値を下回った場合に、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、前記流量範囲の流量で前記原燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを供給する再起動処理部を有する、燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
   前記パワーユニットは、前記原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを改質する水蒸気改質器と、前記水蒸気改質器の温度を検出する第１改質器温度センサとを有し、
   前記スタック温度センサによって検出される温度が前記第１温度閾値を下回り、かつ、前記第１改質器温度センサによって検出される温度が前記発電可能温度よりも低く規定値よりも高い第２温度閾値を下回った場合に、前記再起動処理部は、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御する、燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記パワーユニットは、前記原燃料ガスと前記酸化剤ガスとの混合ガスを改質する部分酸化改質器と、前記部分酸化改質器の温度を検出する第２改質器温度センサとを有し、
   前記スタック温度センサによって検出される温度が前記第１温度閾値を下回り、かつ、前記第１改質器温度センサによって検出される温度が第２温度閾値を下回り、かつ、前記第２改質器温度センサによって検出される温度が前記発電可能温度よりも低く規定値よりも高い第３温度閾値を下回った場合に、前記再起動処理部は、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御する、燃料電池システム。
8. 請求項５～７のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記再起動処理部による処理を実行させるか否かをユーザに設定させる設定部を有する、燃料電池システム。
9. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池セルが収容される燃料電池スタックを含むパワーユニットと、前記燃料ガスの原燃料ガスを前記パワーユニットに供給する原燃料供給ポンプと、前記酸化剤ガスを前記パワーユニットに供給する酸化剤供給機とを有する燃料電池システムの制御方法であって、
   前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、発電時に調整可能な流量範囲の下限よりも低く設定された発電停止用流量で前記原燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを供給する発電停止処理ステップと、
   前記燃料電池スタックの代表温度が、前記燃料電池スタックが発電可能となる発電可能温度を下回った場合に、前記原燃料供給ポンプおよび前記酸化剤供給機を制御して、前記原燃料ガスの供給を停止し、前記流量範囲の上限よりも大きく設定された冷却用流量で前記酸化剤ガスを供給する冷却処理ステップと、
   を含む、燃料電池システムの制御方法。

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