JP2023113254A - 燃料電池システムおよび燃料電池スタックの降温方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの温度を所定の温度以下にするまでの時間を短縮する。【解決手段】燃料電池システムの降温処理部は、燃料電池の発電を停止する発電停止指令が与えられた場合、燃料電池の発電を継続させながら、発電停止指令が与えられた時点の酸化剤ガスの流量よりも多い流量で酸化剤ガスを導入するとともに、当該時点の原燃料ガスの流量よりも少ない流量で原燃料ガスを導入する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池スタックの降温方法に関する。

固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）は、６００℃～１０００℃の比較的高温で発電可能になる。したがって、固体酸化物形燃料電池セルが発電可能な温度になるまで、固体酸化物形燃料電池セルを昇温可能な燃料電池システムが必要である。

下記特許文献１の燃料電池システムは、改質器と、燃料電池スタックと、排ガス燃焼器と、起動用燃焼器とを備える。改質器は、原燃料ガスを水蒸気改質する。燃料電池スタックは、水蒸気改質された改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有する。排ガス燃焼器は、燃料電池スタックから排出される改質ガスである燃料排ガスと、燃料電池スタックから排出される酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させる。起動用燃焼器は、原燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させる。

下記特許文献１の燃料電池システムでは、改質器温度およびスタック温度が水蒸気凝縮温度未満の場合には、起動用燃焼器による原燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼が実行される。一方、改質器温度およびスタック温度が水蒸気凝縮温度以上の場合、原燃料ガスの供給先が起動用燃焼器から改質器に切り替えられる。この場合も、起動用燃焼器による改質ガスと酸化剤ガスとの燃焼が続行される。

特開２０１６－１５４０６７号公報

上記特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池スタックが発電可能な温度になると、燃料電池スタックに収容される燃料電池に負荷を与えて燃料電池の発電を開始する。しかし、上記特許文献１の燃料電池システムは、燃焼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、停止処理は、燃料電池の発電を停止し、燃料電池スタックの温度を下げるために原燃料ガスの流量等の調整を行う。しかし、燃料電池スタックの温度を所定の温度以下にするまでの時間は長くなる傾向にあり、当該時間を短縮することが求められている。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明による一態様は、燃料電池システムであって、原燃料ガスを改質した改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池の出力を制御する電力調整部と、前記燃料電池が収容される燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ポンプと、前記原燃料ガスを改質する改質器に前記原燃料ガスを導入するための原燃料ポンプと、前記燃料電池の発電を停止する発電停止指令が与えられた場合に、前記電力調整部、前記酸化剤ポンプおよび前記原燃料ポンプを制御して、前記燃料電池スタックの温度を降下させる降温処理部と、を備え、前記降温処理部は、前記燃料電池の発電を継続させながら、前記発電停止指令が与えられた時点の酸化剤ガスの流量よりも多い流量で前記酸化剤ガスを導入するとともに、前記時点の原燃料ガスの流量よりも少ない流量で前記原燃料ガスを導入する。

本発明による他の一態様は、原燃料ガスを改質した改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池スタックの降温方法であって、前記燃料電池の発電を停止する発電停止指令が与えられた場合に、前記燃料電池の発電を継続させながら、前記発電停止指令が与えられた時点の酸化剤ガスの流量よりも多い流量で前記酸化剤ガスを導入するとともに、前記時点の原燃料ガスの流量よりも少ない流量で前記原燃料ガスを導入する。

本発明の態様によれば、燃料電池スタックの温度を所定の温度以下にするまでの時間を短縮することができる。すなわち、発電停止指令が与えられても発電が継続されるため、燃料電池スタックにおいて水素を消費させることができる。したがって、発電停止指令時に発電を停止する場合に比べて、燃料電池スタックから排出される排ガス中の水素成分量を少なくすることができ、当該排ガス燃焼を早期に停止させることができる。この結果、燃料電池スタックの温度を所定の温度以下にするまでの時間を短縮することができる。

図１は、実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図２は、制御ユニットの構成を示すブロック図である。 図３は、降温処理の流れを示すフローチャートである。 図４は、流量の推移を示すグラフである。 図５は、温度の推移を示すグラフである。

図１は、実施形態による燃料電池システム１０の構成を示す概略図である。燃料電池システム１０は、発電ユニット１２と、制御ユニット１４とを備える。

発電ユニット１２は、燃料電池スタック１６を備える。燃料電池スタック１６は、複数の燃料電池１７を収容する。複数の燃料電池１７は積層される。各燃料電池１７は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電を行う。燃料ガスは水素を含むガスであり、酸化剤ガスは酸素を含むガスである。燃料ガスとして天然ガス、石油ガス、液化石油等の原燃料ガスを水蒸気改質した改質ガスが挙げられる。酸化剤ガスとして空気が挙げられる。

燃料電池１７は、膜電極構造体とセパレータとを有する。膜電極構造体は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極と、電解質膜の他方の面に設けられたカソード電極とを有する。電解質膜は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体により構成し得る。セパレータは、膜電極構造体を挟持する。

燃料電池スタック１６は、第１入口部１６－１と、第２入口部１６－２と、第１出口部１６－３と、第２出口部１６－４とを有する。

第１入口部１６－１と第１出口部１６－３とには、燃料電池スタック１６の内部に形成された第１スタック内流路が接続される。第１スタック内流路は、第１入口部１６－１から供給された改質ガスを各燃料電池１７のアノード電極に供給し、当該アノード電極に取り込まれなかった改質ガスを含む燃料排ガスを第１出口部１６－３から排出するための流路である。

第２入口部１６－２と第２出口部１６－４には、燃料電池スタック１６の内部に形成された第２スタック内流路が接続される。第２スタック内流路は、第２入口部１６－２から供給された酸化剤ガスを各燃料電池１７のカソード電極に供給し、当該カソード電極で取り込まれなかった酸化剤ガスを含む酸化剤排ガスを第２出口部１６－４から排出するための流路である。

燃料電池システム１０は、酸化剤ポンプ１８、ガス缶体２０、水ポンプ２１、蒸発器２２、改質器２４、排ガス燃焼器２６、起動用燃焼器２８、酸化剤ガス予熱器３０、排気触媒３２、原燃料ポンプ３３および切替弁３４をさらに備える。

酸化剤ポンプ１８は、酸化剤ガスを発電ユニット１２のガス缶体２０に導入する。酸化剤ポンプ１８は、導入される酸化剤ガスの流量を調整可能に構成される。酸化剤ガスの流量は、制御ユニット１４によって調整される。

ガス缶体２０は、酸化剤ガスを貯める。また、ガス缶体２０は、発電ユニット１２内の高温部材からの輻射熱を吸収する。ガス缶体２０に貯まる酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６に流入する。酸化剤ガス流路３６は、ガス缶体２０から燃料電池スタック１６に酸化剤ガスを流すための流路である。酸化剤ガス流路３６は、ガス缶体２０と燃料電池スタック１６の第２入口部１６－２とを接続する。

水ポンプ２１は、水を蒸発器２２に供給する。水ポンプ２１は、蒸発器２２に供給する水の流量を調整可能に構成される。水の流量は、制御ユニット１４によって調整される。

蒸発器２２は、第１原燃料ガス流路３８上に設けられる。第１原燃料ガス流路３８は、改質器２４に原燃料ガスを流すための流路である。第１原燃料ガス流路３８は、切替弁３４と改質器２４とを接続する。蒸発器２２は、水ポンプ２１から供給される水を蒸発させる。蒸発器２２は、蒸発により得られた水蒸気を、第１原燃料ガス流路３８を流れる原燃料ガスと混合し、当該水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを、第１原燃料ガス流路３８を介して、改質器２４に供給する。

改質器２４は、第１原燃料ガス流路３８を介して供給される原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを水蒸気改質する。すなわち、改質器２４は、原燃料ガスに含まれるエタン、プロパン、ブタン等の高級炭化水素を、主として水素および一酸化炭素を含む燃料ガス（改質ガス）に改質する。また、改質器２４は、水蒸気改質により得られた改質ガスを、改質ガス流路４０に供給する。改質ガス流路４０は、改質器２４から燃料電池スタック１６に改質ガスを流すための流路である。改質ガス流路４０は、改質器２４と燃料電池スタック１６の第１入口部１６－１とを接続する。

排ガス燃焼器２６は、第１グロープラグ（オフガスバーナ）２６Ｘを有する。第１グロープラグ２６Ｘは、燃料排ガスと酸化剤排ガスとの混合ガスを点火するための部材である。排ガス燃焼器２６には、燃料排ガス流路４２を介して燃料排ガスが供給される。燃料排ガス流路４２は、燃料電池スタック１６から排ガス燃焼器２６に燃料排ガスを流すための流路である。燃料排ガス流路４２は、燃料電池スタック１６の第１出口部１６－３と排ガス燃焼器２６とを接続する。

また、排ガス燃焼器２６には、酸化剤排ガス流路４４を介して酸化剤排ガスが供給される。酸化剤排ガス流路４４は、燃料電池スタック１６から排ガス燃焼器２６に酸化剤排ガスを流すための流路である。酸化剤排ガス流路４４は、燃料電池スタック１６の第２出口部１６－４と排ガス燃焼器２６とを接続する。

排ガス燃焼器２６は、燃料排ガス流路４２を介して供給される燃料排ガス（改質ガス）を燃焼させる。排ガス燃焼器２６は、燃焼により得られた燃焼排ガスを、排ガス流路４６に出力する。排ガス流路４６は、改質器２４、蒸発器２２、起動用燃焼器２８、酸化剤ガス予熱器３０および排気触媒３２をこの順に通過する。

起動用燃焼器２８は、第２グロープラグ（起動バーナ）２８Ｘを有する。第２グロープラグ２８Ｘは、原燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを点火するための部材である。起動用燃焼器２８には、第２原燃料ガス流路４８を介して原燃料ガスが供給される。第２原燃料ガス流路４８は、起動用燃焼器２８に原燃料ガスを流すための流路である。第２原燃料ガス流路４８は、切替弁３４と起動用燃焼器２８とを接続する。

起動用燃焼器２８は、第２原燃料ガス流路４８を介して供給される原燃料ガスを燃焼させる。燃焼により得られた燃焼ガスは、排ガス流路４６を流れる。排ガス流路４６を流れる燃焼ガスは、酸化剤ガス予熱器３０を経由し、排気される。

酸化剤ガス予熱器３０は、酸化剤ガス流路３６を流れる酸化剤ガスを、排ガス流路４６を流れる燃焼ガスまたは燃焼排ガスとの熱交換によって加熱する。加熱された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６を介して燃料電池スタック１６に供給される。

排気触媒３２は、活性温度に排気触媒３２を昇温するための排気触媒ヒータ３２Ｘを有する。排気触媒３２は、排ガス流路４６を流れる燃焼ガスまたは燃焼排ガスに含まれる不純物を除去する。不純物が除去された燃焼ガスまたは燃焼排ガスは、排ガス流路４６を介して外部に排気される。

原燃料ポンプ３３は、原燃料ガスを切替弁３４に供給する。原燃料ポンプ３３は、切替弁３４に供給する原燃料ガスの流量を調整可能に構成される。原燃料ガスの流量は、制御ユニット１４によって調整される。

切替弁３４は、原燃料ポンプ３３を、第１原燃料ガス流路３８または第２原燃料ガス流路４８に接続する。原燃料ポンプ３３が第１原燃料ガス流路３８に接続されている場合、原燃料ポンプ３３から供給される原燃料ガスは、蒸発器２２に供給される。逆に、原燃料ポンプ３３が第２原燃料ガス流路４８に接続されている場合、原燃料ポンプ３３から供給される原燃料ガスは、起動用燃焼器２８に供給される。切替弁３４の切り替えは、制御ユニット１４によって実行される。

図２は、制御ユニット１４を示すブロック図である。制御ユニット１４は、スタック温度センサ５０、改質器温度センサ５２、燃焼器温度センサ５４、記憶部６２、電力調整部６４およびＥＣＵ６６を有する。電力調整部６４は、ＰＣＳとも称される。

スタック温度センサ５０は、燃料電池スタック１６の温度であるスタック温度を検出するセンサである。スタック温度センサ５０は、燃料電池スタック１６に設けられる。スタック温度センサ５０は、好ましくは、燃料電池スタック１６のうち、昇温時の温度上昇率が低くなり易い部位に設けられる。温度上昇率が低くなり易い燃料電池スタック１６の部位は、燃料電池１７の積層方向の中間に対応する部分である。スタック温度センサ５０は、燃料電池スタック１６の表面に配置されてもよいし、燃料電池スタック１６の内部に配置されてもよい。スタック温度センサ５０は、燃料電池スタック１６の温度（スタック温度）を検出し、検出信号をＥＣＵ６６に出力する。

改質器温度センサ５２は、改質器２４の温度である改質器温度を検出するセンサである。改質器温度センサ５２は、改質器２４の近くの改質ガス流路４０に設けられる。改質器温度センサ５２は、改質器２４の表面に配置されてもよいし、改質器２４の内部に配置されてもよい。改質器温度センサ５２は、改質器２４の温度（改質器温度）を検出し、検出信号をＥＣＵ６６に出力する。

燃焼器温度センサ５４は、排ガス燃焼器２６の温度である燃焼器温度を検出するセンサである。燃焼器温度センサ５４は、排ガス燃焼器２６に設けられる。燃焼器温度センサ５４は、排ガス燃焼器２６の表面に配置されてもよいし、排ガス燃焼器２６の内部に配置されてもよい。燃焼器温度センサ５４は、排ガス燃焼器２６の温度（燃焼器温度）を検出し、検出信号をＥＣＵ６６に出力する。

記憶部６２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６２の少なくとも一部がＥＣＵ６６に備えられていてもよい。

ＰＣＳ６４は、燃料電池スタック１６に収容される各燃料電池１７のアノード電極とカソード電極とに接続される。ＰＣＳ６４は、電化製品等の外部負荷に応じて各燃料電池１７の出力（発電電力）を制御する。また、ＰＣＳ６４は、燃料電池スタック１６に収容される各燃料電池１７での発電により得られた発電電力の一部を電子機器に出力する。電子機器は、水ポンプ２１、第１グロープラグ２６Ｘ、第２グロープラグ２８Ｘ、原燃料ポンプ３３、排気触媒ヒータ３２Ｘ、記憶部６２、および、ＥＣＵ６６の少なくとも１つを含む。

ＥＣＵ６６は、ＣＰＵ、ＧＰＵ等のプロセッサによって構成される。ＥＣＵ６６は、第１昇温処理部６８、第２昇温処理部７０、発電処理部７２および降温処理部７４を有する。プロセッサが記憶部６２に記憶されたプログラムを実行すると、ＥＣＵ６６が第１昇温処理部６８、第２昇温処理部７０、発電処理部７２および降温処理部７４として実現される。なお、第１昇温処理部６８、第２昇温処理部７０、発電処理部７２および降温処理部７４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、第１昇温処理部６８、第２昇温処理部７０、発電処理部７２および降温処理部７４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。

第１昇温処理部６８は、起動用燃焼器２８に燃焼を実行させる。この場合、第１昇温処理部６８は、起動用燃焼器２８の第２グロープラグ２８Ｘをオンにし、酸化剤ポンプ１８を制御して酸化剤ガスをガス缶体２０に導入する。ガス缶体２０に導入された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６、燃料電池スタック１６、酸化剤排ガス流路４４、排ガス燃焼器２６および排ガス流路４６を介して起動用燃焼器２８に流入する。また、第１昇温処理部６８は、切替弁３４を制御して原燃料ポンプ３３を第２原燃料ガス流路４８に接続した後、原燃料ポンプ３３を制御して原燃料ガスを起動用燃焼器２８に供給する。起動用燃焼器２８では、原燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼（第１燃焼）が開始される。第１燃焼により得られる燃焼ガスを熱源として、発電ユニット１２の各機器の温度が上昇する。

第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器２６による燃焼を実行させる。この場合、第２昇温処理部７０は、排ガス燃焼器２６の第１グロープラグ２６Ｘをオンにする。また、第２昇温処理部７０は、切替弁３４を制御して原燃料ポンプ３３を第２原燃料ガス流路４８から第１原燃料ガス流路３８に切り替えて、原燃料ガスの供給先を起動用燃焼器２８から改質器２４に変更する。改質器２４では、源燃料ガスが水蒸気改質されて改質ガスが得られる。改質ガスは、燃料電池スタック１６の第１スタック内流路を流れ、当該第１スタック内流路を流れる改質ガスを含む燃料排ガスは、燃料電池スタック１６から燃料排ガス流路４２を介して排ガス燃焼器２６に流入する。排ガス燃焼器２６では、燃料電池スタック１６から酸化剤排ガス流路４４を介して供給される酸化剤ガスを含む酸化剤排ガスと、燃料排ガスとの燃焼（第２燃焼）が開始される。第２燃焼により得られる燃焼排ガスを熱源として、発電ユニット１２の各機器の温度が上昇する。

発電処理部７２は、スタック温度センサ５０によって検出されるスタック温度が、燃料電池１７による発電が可能になる温度（発電可能温度）になると、発電処理を開始する。この場合、発電処理部７２は、電力調整部６４を制御して、各燃料電池１７での発電により得られた発電電力を外部機器に出力する。電力調整部６４は、電力負荷に応じて、各燃料電池１７の出力（発電電力）を制御する。

降温処理部７４は、発電処理の実行中に発電停止指令が与えられると、降温処理を実行する。発電停止指令は、例えば、停止ボタンの操作に応じて生成され、降温処理部７４に出力される。降温処理部７４による降温処理を図３～図５を用いて説明する。図３は、降温処理の流れを示すフローチャートである。図４は、流量の推移を示すグラフである。図５は、温度の推移を示すグラフである。降温処理は、発電停止指令が与えられると、ステップＳ１に移行する。

ステップＳ１において、降温処理部７４は、原燃料ポンプ３３を制御して、発電停止指令が与えられた時点の原燃料ガスの流量よりも少ない流量で原燃料ガスを導入する（図４のＡ＿１参照）。すなわち、降温処理部７４は、第１原燃料ガス流量よりも小さい第２原燃料ガス流量で原燃料ポンプ３３に原燃料ガスを導入させる。

第１原燃料ガス流量および第２原燃料ガス流量は、記憶部６２に記憶される。第１原燃料ガス流量は、燃料電池スタック１６の温度が発電可能な温度以上である場合に設定される原燃料ガスの流量である。第１原燃料ガス流量は、電力負荷等の条件に応じて設定される。第２原燃料ガス流量は、発電停止指令が与えられた場合の流量として予め設定される原燃料ガスの流量である。第２原燃料ガス流量は、予め定められた原燃料ガスの流量調整範囲のうちの最小流量であってもよい。また、最小流量は、原燃料ポンプ３３が調整可能な流量の最小値であってもよい。

原燃料ポンプ３３から導入された原燃料ガスは、第１原燃料ガス流路３８を介して蒸発器２２に流入し、水ポンプ２１から導入される水の蒸発により得られた水蒸気と混合される。原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、第１原燃料ガス流路３８を介して改質器２４に流入し、水蒸気改質される。水蒸気改質された改質ガスは、改質ガス流路４０を介して燃料電池スタック１６に流入する。燃料電池スタック１６に収容される各燃料電池１７に取り込まれなかった改質ガスを含む燃料排ガスは、燃料電池スタック１６から燃料排ガス流路４２を介して排ガス燃焼器２６に流入する。

排ガス燃焼器２６に流入する燃料排ガスの流入量は、発電停止指令が与えられた時点よりも少なくなる。これは、発電停止指令が与えられた時点の原燃料ガスの流量よりも少ない流量で原燃料ガスが導入されているからである。したがって、排ガス燃焼器２６での燃焼が抑制され、当該燃焼の抑制によって燃料電池スタック１６の温度が降下し始める（図５参照）。

ステップＳ１において、降温処理部７４は、酸化剤ポンプ１８を制御して、発電停止指令が与えられた時点の酸化剤ガスの流量よりも多い流量で酸化剤ガスを導入する（図４のＡ＿２参照）。すなわち、降温処理部７４は、第１酸化剤ガス流量よりも大きい第２酸化剤ガス流量で酸化剤ポンプ１８に酸化剤ガスを導入させる。

第１酸化剤ガス流量および第２酸化剤ガス流量は、記憶部６２に記憶される。第１酸化剤ガス流量は、燃料電池スタック１６の温度が発電可能な温度以上である場合に設定される酸化剤ガスの流量である。第１酸化剤ガス流量は、電力負荷、スタック温度等の条件に応じて設定される。第２酸化剤ガス流量は、発電停止指令が与えられた場合の流量として予め設定される酸化剤ガスの流量である。第２酸化剤ガス流量は、予め定められた酸化剤ガスの流量調整範囲のうちの最大流量であってもよい。また、最大流量は、酸化剤ポンプ１８が調整可能な流量の最大値であってもよい。

酸化剤ポンプ１８から導入された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６を介して燃料電池スタック１６に流入する。燃料電池スタック１６に収容される各燃料電池１７に取り込まれなかった酸化剤ガスを含む酸化剤排ガスは、燃料電池スタック１６から酸化剤排ガス流路４４を介して排ガス燃焼器２６に流入し、排ガス燃焼器２６から排ガス流路４６を介して排出される。酸化剤ガスの流量が多くなるため、燃料電池スタック１６を含む発電ユニット１２の各機器から熱を奪う量が増加し、燃料電池スタック１６の温度降下が速まる。

ステップＳ１において、降温処理部７４は、水ポンプ２１を制御して、発電停止指令が与えられた時点の水の流量よりも少ない流量で水を導入する（図４のＡ＿３参照）。すなわち、降温処理部７４は、第１水流量よりも小さい第２水流量で水ポンプ２１に水を導入させる。

第１水流量および第２水流量は、記憶部６２に記憶される。第１水流量は、燃料電池スタック１６の温度が発電可能な温度以上である場合に設定される水の流量である。第１水流量は、電力負荷等の条件に応じて設定される。第２水流量は、発電停止指令が与えられた場合の流量として予め設定される水の流量である。

水ポンプ２１から導入される水の流量が少なくなると、蒸発器２２において原燃料ガスに混合される水蒸気量が少なり、改質器２４において水蒸気改質される改質ガス中の水素濃度が低くなる。水素には燃焼速度が速い特性があるため、改質ガス中の水素濃度が低くなることによって、排ガス燃焼器２６における燃焼の停止が速められる。

改質ガス中の水素濃度が５０％以上のリッチ状態になる温度は、原燃料ガスに含まれる炭素量（Ｃ）に対する水蒸気量（Ｓ）のモル比（Ｓ／Ｃ）が大きいほど低くなることが実証されている。本実施形態では、第２水量および第２原料流量は、炭素（Ｃ）に対する水蒸気（Ｓ）のモル比（Ｓ／Ｃ）を充足するように定められ、当該モル比（Ｓ／Ｃ）は、２．２～３．０の範囲の中から選定される。例えば、最小流量での第２原料流量に対する第２水流量の流量比が２．２のＳ／Ｃとなるように、第２水流量が設定される。相対的に小さい範囲のモル比（Ｓ／Ｃ）を充足するように原燃料ガスおよび水の流量が定められることで、早期に改質ガス中の水素濃度を５０％未満のプア状態にすることができる。

発電停止指令以降、降温処理部７４は、電力調整部６４を制御して、発電停止指令が与えられた時点の電流値よりも少ない電流値を燃料電池スタック１６に指令する（図４のＡ＿４参照）。すなわち、降温処理部７４は、第１電流値よりも小さい第２電流値で電流を出力するように、燃料電池スタック１６（燃料電池１７）を制御する。

第１電流値および第２電流値は、記憶部６２に記憶される。第１電流値は、燃料電池スタック１６の温度が発電可能な温度以上である場合に取り得る範囲のなかから設定される電流値である。第２電流量は、発電停止指令が与えられた場合の電流の大きさとして予め設定される電流値である。第２電流値は、予め定められた燃料利用率範囲から選定された燃料利用率となるように定められる。燃料利用率範囲は、４０％～７５％である。好ましくは、燃料利用率範囲は、６０％～７５％である。燃料利用率は、負荷される電流値を、原燃料ガスの流量を１００％発電に使用した場合に得られる理論電流値で除算した値である。

本実施形態では、発電停止指令が与えられても、燃料電池１７の電流出力が継続される。つまり、燃料電池スタック１６では、発電停止指令以降も発電が継続されるため、水素が消費される。したがって、発電停止指令が与えられた時点で燃料電池１７の電流出力を停止する場合に比べて、燃料電池スタック１６から排出される排ガス中の水素成分が少なくなり、排ガス燃焼器２６における燃焼の停止が速められる。

また、発電停止指令後に燃料電池１７から出力される電流値（電流の大きさ）が、発電停止指令時点に出力される電流値よりも少なくされることで、原燃料ガスの流量を少なくしたことに起因して燃料電池１７が劣化することを抑制することができる。燃料電池１７の劣化は、具体的には、燃料枯渇によって燃料電池１７のアノード電極が再酸化されることで発生する。

なお、降温処理部７４は、電力調整部６４を制御して、発電停止指令が与えられた以降に燃料電池１７の発電により得られた発電電力を、水ポンプ２１、原燃料ポンプ３３、および、原燃料ポンプ３３の少なくとも１つに出力してもよい。これにより、発電停止指令以降の発電電力を無駄なく使用することができる。

このようにステップＳ１の降温処理は、発電停止指令が与えられても燃料電池１７の発電を継続させながら、原燃料ガスおよび水の流量を減少させるとともに、酸化剤ガスの流量を増加させる。その後、降温処理はステップＳ２に移行する。

ステップＳ２において、降温処理部７４は、改質器温度センサ５２によって検出される改質器温度を、所定の第１温度閾値と比較する。第１温度閾値は、水素成分がリッチ状態の改質ガスを改質器２４が生成不能になる温度であり、記憶部６２に記憶される。本実施形態では、第１温度閾値は５５０℃である。改質器温度が第１温度閾値以上である場合（ステップＳ２：ＮＯ）、降温処理部７４は、改質器２４で水蒸気改質される改質ガスの水素成分がリッチ状態であると判断する。この場合、降温処理はステップＳ２に留まる。逆に、改質器温度が第１温度閾値未満である場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、降温処理部７４は、改質器２４で水蒸気改質される改質ガスの水素成分が５０％未満のプア状態であると判断する。この場合、降温処理はステップＳ３に移行する。

ステップＳ３において、降温処理部７４は、電力調整部６４を制御して、各燃料電池１７の電流出力を停止する（図４のＡ＿５参照）。改質器温度が、改質ガス中の水素濃度がプア状態となる温度（第１温度閾値）となった以降に、発電が停止されるため、燃料電池１７の発電による水素消費が行われなくても、排ガス燃焼器２６における燃焼の停止が速められる。電流の出力が停止されると、降温処理はステップＳ４に移行する。

ステップＳ４において、降温処理部７４は、燃焼器温度センサ５４によって検出される燃焼器温度に基づいて、各燃料電池１７への電流の出力が停止された以降の温度上昇量を計測し、当該温度上昇量を所定の上昇量閾値と比較する。上昇量閾値は、本実施形態では、５℃／３０秒である。温度上昇量が上昇量閾を超える場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、降温処理部７４は、排ガス燃焼器２６での再着火であると判断する。この場合、降温処理はステップＳ５に移行する。逆に、温度上昇量が上昇量閾値以下である場合（ステップＳ４：ＮＯ）、降温処理部７４は、排ガス燃焼器２６が燃焼停止（消火完了）したと判断する。この場合、降温処理はステップＳ６に移行する。

ステップＳ５において、降温処理部７４は、電力調整部６４を制御して、各燃料電池１７の電流出力を再開する。これにより、排ガス燃焼器２６の温度を確実に降下させることができる。電流が再び出力されると、降温処理はステップＳ２に戻る。

ステップＳ６において、降温処理部７４は、改質器温度センサ５２によって検出される改質器温度を、所定の第２温度閾値と比較する。第２温度閾値は、改質器２４で用いられる改質触媒が活性不能になる温度であり、記憶部６２に記憶される。本実施形態では、第２温度閾値は３００℃である。改質器温度が第２温度閾値以上である場合（ステップＳ６：ＮＯ）、降温処理部７４は、改質触媒が活性状態であると判断する。この場合、降温処理はステップＳ６に留まる。逆に、改質器温度が第２温度閾値未満である場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、降温処理部７４は、改質触媒が活性不能状態であると判断する。この場合、降温処理はステップＳ７に移行する。

ステップＳ７において、降温処理部７４は、原燃料ポンプ３３を制御して原燃料ガスの導入を停止する（図４のＡ＿６参照）。また、降温処理部７４は、水ポンプ２１を制御して水の導入を停止する（図４のＡ＿７参照）。改質器温度が、改質触媒が活性不能な温度（第２温度閾値）になってから原燃料ガスおよび水の導入が停止されるため、燃料電池１７のアノード電極、あるいは、改質触媒の酸化による劣化が確実に抑制される。原燃料ガスおよび水の供給が停止されると、降温処理はステップＳ８に移行する。

ステップＳ８において、降温処理部７４は、酸化剤ポンプ１８を制御して酸化剤ガスの導入を停止する（図４のＡ＿８参照）。酸化剤ガスの供給が停止されると、降温処理は終了する。

以上の記載から把握し得る発明および効果について以下に記載する。

本発明による一態様は、燃料電池システム（１０）であって、原燃料ガスを改質した改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池（１７）の出力を制御する電力調整部（６４）と、前記燃料電池が収容される燃料電池スタック（１６）に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ポンプ（１８）と、前記原燃料ガスを改質する改質器（２４）に前記原燃料ガスを導入するための原燃料ポンプ（３３）と、前記燃料電池の発電を停止する発電停止指令が与えられた場合に、前記電力調整部、前記酸化剤ポンプおよび前記原燃料ポンプを制御して、前記燃料電池スタックの温度を降下させる降温処理部（７４）と、を備える。前記降温処理部は、前記燃料電池の発電を継続させながら、前記発電停止指令が与えられた時点の酸化剤ガスの流量よりも多い流量で前記酸化剤ガスを導入するとともに、前記時点の原燃料ガスの流量よりも少ない流量で前記原燃料ガスを導入する。

これにより、燃料電池スタックの温度を所定の温度以下にするまでの時間を短縮することができる。すなわち、発電停止指令が与えられても発電が継続されるため、燃料電池スタックにおいて水素を消費させることができる。したがって、発電停止指令時に発電を停止する場合に比べて、燃料電池スタックから排出される排ガス中の水素成分量を少なくすることができ、当該排ガス燃焼を早期に停止させることができる。この結果、燃料電池スタックの温度を所定の温度以下にするまでの時間を短縮することができる。

前記降温処理部は、前記時点の電流値よりも少ない電流値で電流を出力するように、前記燃料電池を制御してもよい。これにより、原燃料ガスの流量を少なくしたことに起因して燃料電池が劣化することを抑制することができる。

前記降温処理部は、予め定められた前記原燃料ガスの流量調整範囲のうちの最小流量で前記原燃料ガスを導入してもよい。これにより、流量調整範囲のなかで原燃料ガスの導入量を最も少なくすることができ、この結果、燃料電池スタックから排出される排ガスの燃焼を早期に停止させることができる。

前記降温処理部は、予め定められた前記酸化剤ガスの流量調整範囲のうちの最大流量で前記酸化剤ガスを導入してもよい。これにより、冷媒となり得る酸化剤ガスの量を多くすることができる。

燃料電池システムは、前記改質器による水蒸気改質に用いられる水蒸気を生成する蒸発器（２２）に水を供給するための水ポンプ（２１）を備え、前記降温処理部は、前記水ポンプを制御して、前記時点の水の流量よりも少ない流量で前記水を導入してもよい。これにより、改質ガス中の水素濃度を低くすることができる。この結果、燃料電池スタックから排出される排ガスの燃焼を早期に停止させることができる。

前記時点以降に導入される前記原燃料ガスおよび前記水の流量は、前記原燃料ガスに含まれる炭素量に対する水蒸気量のモル比を充足するように定められ、前記モル比は、２．２～３．０の範囲の中から選定されてもよい。モル比が大きくなるほど、改質ガス中の水素濃度がリッチ状態となる温度が低くなることが実証されている。したがって、相対的に小さい範囲のモル比を充足するように原燃料ガスおよび水の流量が定められることで、早期に改質ガス中の水素濃度をプア状態にすることができる。この結果、燃料電池スタックから排出される排ガスの燃焼を早期に停止させることができるとともに、当該燃焼が停止された以降の再着火を抑制することができる。

燃料電池システムは、前記改質器の温度である改質器温度を検出する改質器温度センサ（５２）を備え、前記改質器温度が第１温度閾値未満になった場合に、前記降温処理部は、電流の出力を停止するように、前記燃料電池を制御してもよい。これにより、改質ガス中の水素濃度がプア状態となった以降に、発電を停止することができる。この結果、発電による水素消費を行わなくても、燃料電池スタックから排出される排ガスの燃焼を早期に停止させることができる。

前記改質器温度が、前記第１温度閾値よりも小さい第２温度閾値未満になった場合に、前記降温処理部は、前記原燃料ガスおよび前記水の導入を停止してもよい。これにより、改質触媒が活性不能になってから原燃料ガスおよび水の導入を停止することができる。この結果、燃料電池のアノード電極、あるいは、改質触媒の酸化による劣化を抑制することができる。

燃料電池システムは、前記燃料電池スタックから排出される前記改質ガスおよび前記酸化剤ガスを燃焼する排ガス燃焼器（２６）の温度である燃焼器温度を検出する燃焼器温度センサ（５４）を備え、前記燃料電池への電流の出力が停止された以降の前記燃焼器温度の温度上昇量が所定の上昇量閾値以上である場合、前記降温処理部は、電流を再び出力するように、前記燃料電池を制御してもよい。これにより、所定の温度降下量となるように排ガス燃焼器の温度を確実に降下させることができる。

前記降温処理部は、前記発電停止指令が与えられた以降に前記燃料電池の発電により得られた発電電力を、少なくとも前記酸化剤ポンプおよび前記原燃料ポンプに出力して駆動させてもよい。これにより、発電停止指令以降の発電電力を無駄なく使用することができる。

本発明による他の一態様は、原燃料ガスを改質した改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池スタックの降温方法である。燃料電池スタックの降温方法は、前記燃料電池の発電を停止する発電停止指令が与えられた場合に、前記燃料電池の発電を継続させながら、前記発電停止指令が与えられた時点の酸化剤ガスの流量よりも多い流量で前記酸化剤ガスを導入するとともに、前記時点の原燃料ガスの流量よりも少ない流量で前記原燃料ガスを導入する。

これにより、燃料電池スタックの温度を所定の温度以下にするまでの時間を短縮することができる。すなわち、発電停止指令が与えられても発電が継続されるため、燃料電池スタックにおいて水素を消費させることができる。したがって、発電停止指令時に発電を停止する場合に比べて、燃料電池スタックから排出される排ガス中の水素成分量を少なくすることができ、当該排ガス燃焼を早期に停止させることができる。この結果、燃料電池スタックの温度を所定の温度以下に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…発電ユニット
１４…制御ユニット １６…燃料電池スタック
１７…燃料電池 １８…酸化剤ポンプ
２０…ガス缶体 ２１…水ポンプ
２２…蒸発器 ２４…改質器
２６…排ガス燃焼器 ２８…起動用燃焼器
３０…酸化剤ガス予熱器 ３２…排気触媒
３３…原燃料ポンプ ３４…切替弁
５０…スタック温度センサ ５２…改質器温度センサ
５４…燃焼器温度センサ ６２…記憶部
６４…電力調整部 ６６…ＥＣＵ
６８…第１昇温処理部 ７０…第２昇温処理部
７２…発電処理部 ７４…降温処理部

Claims (11)

1. 原燃料ガスを改質した改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池の出力を制御する電力調整部と、
   前記燃料電池が収容される燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを導入するための酸化剤ポンプと、
   前記原燃料ガスを改質する改質器に前記原燃料ガスを導入するための原燃料ポンプと、
   前記燃料電池の発電を停止する発電停止指令が与えられた場合に、前記電力調整部、前記酸化剤ポンプおよび前記原燃料ポンプを制御して、前記燃料電池スタックの温度を降下させる降温処理部と、
   を備え、
   前記降温処理部は、
   前記燃料電池の発電を継続させながら、前記発電停止指令が与えられた時点の酸化剤ガスの流量よりも多い流量で前記酸化剤ガスを導入するとともに、前記時点の原燃料ガスの流量よりも少ない流量で前記原燃料ガスを導入する、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、
   前記降温処理部は、前記時点の電流値よりも少ない電流値で電流を出力するように、前記燃料電池を制御する、燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記降温処理部は、予め定められた前記原燃料ガスの流量調整範囲のうちの最小流量で前記原燃料ガスを導入する、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、
   前記降温処理部は、予め定められた前記酸化剤ガスの流量調整範囲のうちの最大流量で前記酸化剤ガスを導入する、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、
   前記改質器による水蒸気改質に用いられる水蒸気を生成する蒸発器に水を供給するための水ポンプを備え、
   前記降温処理部は、前記水ポンプを制御して、前記時点の水の流量よりも少ない流量で前記水を導入する、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、
   前記時点以降に導入される前記原燃料ガスおよび前記水の流量は、前記原燃料ガスに含まれる炭素量に対する水蒸気量のモル比を充足するように定められ、前記モル比は、２．２～３．０の範囲の中から選定される、燃料電池システム。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記改質器の温度である改質器温度を検出する改質器温度センサを備え、
   前記改質器温度が第１温度閾値未満になった場合に、前記降温処理部は、電流の出力を停止するように、前記燃料電池を制御する、燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
   前記改質器温度が、前記第１温度閾値よりも小さい第２温度閾値未満になった場合に、前記降温処理部は、前記原燃料ガスおよび前記水の導入を停止する、燃料電池システム。
9. 請求項７または８に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックから排出される前記改質ガスおよび前記酸化剤ガスを燃焼する排ガス燃焼器の温度である燃焼器温度を検出する燃焼器温度センサを備え、
   前記燃料電池への電流の出力が停止された以降の前記燃焼器温度の温度上昇量が所定の上昇量閾値以上である場合、前記降温処理部は、電流を再び出力するように、前記燃料電池を制御する、燃料電池システム。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記降温処理部は、前記発電停止指令が与えられた以降に前記燃料電池の発電により得られた発電電力を、少なくとも前記酸化剤ポンプおよび前記原燃料ポンプに出力して駆動させる、燃料電池システム。
11. 原燃料ガスを改質した改質ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池スタックの降温方法であって、
    前記燃料電池の発電を停止する発電停止指令が与えられた場合に、前記燃料電池の発電を継続させながら、前記発電停止指令が与えられた時点の酸化剤ガスの流量よりも多い流量で前記酸化剤ガスを導入するとともに、前記時点の原燃料ガスの流量よりも少ない流量で前記原燃料ガスを導入する、燃料電池スタックの降温方法。

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