JP5796227B2 - 燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転停止方法 - Google Patents

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本発明は、燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転停止方法に関し、特に、燃料電池発電システムの運転停止制御に関するものである。
燃料電池を利用した発電装置と、この発電装置で発電が行われる際に生じる熱を利用して加熱した水（温水）を貯湯する貯湯槽と、を備えた、家庭用燃料電池コージェネレーションシステムに代表される燃料電池発電システムは、水素供給源として炭化水素等の原料を改質する燃料生成器を搭載するのが一般的である。
ここで、燃料電池発電システムに要求されることは、高いエネルギー変換効率とその効率維持（耐久性）である。例えば、家庭用としてメタンを主成分とする都市ガス（天然ガス）等の原料ガスを用いた場合、光熱費メリット及びＣＯ２の削減効果を大きくするために、電気と熱の消費量の少ない時間帯は停止し、電気と熱の消費量の多い時間帯に運転する運転方法が有効である。一般に、昼間は運転して深夜は運転を停止するＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ Ｓｒａｒｔ−Ｕｐ ＆ Ｓｈｕｔ−Ｄｏｗｎ）運転は、光熱費メリットとＣＯ２の削減効果を大きくすることができる。このため、燃料電池発電システムは、起動と停止を含む運転パターンに柔軟に対応できることが望ましい。
しかしながら、燃料電池発電システムをＤＳＳ運転する場合、システムの運転停止時に燃料電池内部に酸素が残存する、あるいは外部より空気が流入すると電極触媒が劣化し、電池性能の低下が起こるという課題があった。
このような課題に対して、酸素の供給を停止した後、カソード部の酸素分圧が予め定めた値になるまで、燃料電池への水素の供給を継続して、カソード部に残存する酸素を電気エネルギーを発生するために消費させる、高分子電解質膜形燃料電池発電装置の運転方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、直流電力供給用の外部電源を備え、燃料極に対する水素含有ガスを供給し、酸素極に対する酸素含有ガスの供給を停止して、かつ、セルに発電状態と同じ向きの電流を流すことにより、水素含有ガスが供給されていない酸素極で水素を発生させることにより、燃料電池の劣化を回復する燃料電池の運転方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
また、燃料電池発電システムの運転停止後に、燃料電池内の温度が低下することにより、燃料電池内部の圧力が低下し、燃料電池内に空気が流入するおそれがあるという課題があった。このような課題に対して、改質手段に炭化水素系燃料を供給する燃料供給管から分岐すると共に炭化水素系燃料を燃料電池のアノード側に供給する分岐管と、分岐管に設けられた調節弁と、を有する燃料電池発電システムが知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３に記載の燃料電池発電システムでは、燃料電池のパージに必要な時間が経過するのを待って調節弁を閉弁して燃料電池への炭化水素系燃料の供給を停止し、該炭化水素系燃料の供給を一時停止してから所定時間経過した後に調節弁を開弁して燃料電池の負圧を解消するのに必要な炭化水素系燃料を燃料電池に供給する。
特許第３７６１５８３号公報 特許第４２８３９２８号公報 特許第４２４８１８２号公報
しかしながら、特許文献１に開示されている高分子電解質膜形燃料電池発電装置の運転方法のように、発電しながら残存酸素が低濃度になるまで燃料ガス供給を継続した場合、残存酸素の濃度が低下するに連れて発電量が減少する。そして、この発電量の減少に連れて燃料ガスの利用率が低下し、ひいては生成される燃料ガスのうちの不必要なものの割合が増加する。このため、停止の度にエネルギーロスが発生する。このため、特許文献１に開示されている運転方法では、エネルギーロスを小さくするという、燃料電池発電システムのメリットを大きく損なうという課題がある。
また、特許文献２に開示されている燃料電池の運転方法のように、直流電源をシステムに追加搭載すると、エネルギーロスの発生だけでなく、システムのコスト面、コンパクト面が課題となる。
さらに、特許文献３に開示されている燃料電池発電システムのように、改質手段を経由しないで、燃料電池に炭化水素系燃料を供給する場合、分岐管を別途設けなければならず、システムのコスト面、コンパクト面が課題となる。また、特許文献３に開示されている燃料電池発電システムでは、燃料電池からパージされた燃料ガス等の可燃ガスを、改質手段を加熱する燃焼部とは別途設けられた燃焼器により燃焼する構成となっている。このため、システムのコスト面、コンパクト面だけでなく、エネルギーロスが発生し、エネルギーロスを小さくするという、燃料電池発電システムのメリットを大きく損なうという課題がある。
このように、従来の燃料電池発電システムでは、商品性（コスト、ユーザーメリット等）が充分でなく、未だ改善の余地があった。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、低コスト、かつ、エネルギーロスが小さく、耐久性に優れた、燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転停止方法を提供することを目的とする。
上記従来の課題を解決するために、本発明者等は以下の知見を得た。すなわち、従来の燃料電池発電システムでは、燃料電池発電システムの運転が停止されるときの燃料電池での発電量が全く考慮されていない。このため、燃料電池発電システムの停止指令が制御器に入力されたときの発電量を維持した状態で停止処理が行われる。このため、停止処理が行われる間に、必要以上の燃料ガスが生成され、本来、消費される必要のない原料ガスが消費される。そして、生成された燃料ガスは、燃焼器で燃焼されて、熱として外部に放出されるだけなので、燃料ガスの生成量が大きいほど、エネルギーロスが大きくなる。特に、上記特許文献１に開示されている高分子電解質膜形燃料電池発電装置の運転方法では、残存酸素が低濃度になるまで燃料ガス供給を継続するため、そのエネルギーロスはさらに大きくなる。そこで、本発明者等は、以下に記載する構成を採用することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明を想到した。
すなわち、本発明に係る燃料電池発電システムは、電解質膜と、アノードと、カソードと、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、を有し、前記アノードに供給される前記燃料ガスと、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、原料ガス供給器から供給された原料ガスと水供給器から供給された水とを改質反応させて前記燃料ガスを生成し、該燃料ガスを燃料ガス供給経路を介して前記燃料電池の前記燃料ガス流路に供給する燃料生成器と、前記酸化剤ガスを酸化剤ガス供給経路を介して前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路に供給する酸化剤ガス供給器と、前記燃料電池の前記燃料ガス流路から排出された未利用の燃料ガスが通流する燃料ガス排出経路と、前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路から排出された未利用の酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス排出経路と、前記燃料電池から電力を取り出して外部負荷に供給する出力制御器と、前記燃料ガス流路の上流側の経路、前記燃料ガス流路の下流側の経路、及び前記酸化剤ガス流路の上流側の経路のそれぞれの経路を開閉するように構成された開閉機構と、制御器と、を備え、前記制御器は、停止処理において、前記燃料電池から取り出す電力量を低下させて、その後、前記外部負荷への電力供給を停止するように前記出力制御器を制御し、前記酸化剤ガス供給器からの前記酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を前記開閉機構によって閉止し、前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を閉止後、前記電解質膜を通じてクロスリークした燃料ガスで前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスが消費される所定の時間経過後に、前記原料ガス供給器及び前記水供給器を停止させ、その後、前記開閉機構により、前記燃料ガス流路の上流側の経路及び前記燃料ガス流路の下流側の経路を閉止するように構成されている。
これにより、燃料電池から取り出す電力量を低下させることで、燃料生成器で生成される燃料ガス量を低減することができ、エネルギーロスを低減することができる。また、燃料ガス流路内の燃料ガスが酸化剤ガス流路にクロスリークすることや温度低下に伴う内部圧力の低下を、燃料ガス供給経路から供給される燃料ガスによって燃料電池内を保圧することができる。また、酸化剤ガス流路に残存する酸化剤ガス（酸素）をクロスリークした燃料ガス（水素）と反応することで、カソードの劣化を抑制することができる。さらに、酸化剤ガスが消費されることによる内部圧力の低下を、酸化剤ガス排出経路に存在する酸素濃度が外気に比べて低い酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に供給することで、燃料電池内を保圧することができるとともに、消費される燃料ガス量を低減することができる。
また、本発明に係る燃料電池発電システムの運転方法は、電解質膜と、アノードと、カソードと、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、を有し、前記アノードに供給される前記燃料ガスと、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池を備える燃料電池発電システムの運転停止方法であって、出力制御器が、前記燃料電池から取り出す電力量を低下して、その後、外部負荷への電力供給を停止するステップ（Ａ）と、酸化剤ガス供給器が前記酸化剤ガスの供給を停止するとともに、前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を前記開閉機構が閉止するステップ（Ｂ）と、前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を閉止後、前記電解質膜を通じてクロスリークした燃料ガスで前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスが消費される所定の時間経過後に、原料ガス供給器及び水供給器が停止するステップ（Ｃ）と、前記ステップ（Ｃ）後、前記開閉機構が前記燃料ガス流路の上流側の経路及び前記燃料ガス流路の下流側の経路を閉止するステップ（Ｄ）と、を備える。
これにより、燃料電池から取り出す電力量を低下させることで、燃料生成器で生成される燃料ガス量を低減することができ、エネルギーロスを低減することができる。また、燃料ガス流路内の燃料ガスが酸化剤ガス流路にクロスリークすることや温度低下に伴う内部圧力の低下を、燃料ガス供給経路から供給される燃料ガスによって燃料電池内を保圧することができる。また、酸化剤ガス流路に残存する酸化剤ガス（酸素）をクロスリークした燃料ガス（水素）と反応することで、カソードの劣化を抑制することができる。さらに、酸化剤ガスが消費されることによる内部圧力の低下を、酸化剤ガス排出経路に存在する酸素濃度が外気に比べて低い酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に供給することで、燃料電池内を保圧することができるとともに、消費される燃料ガス量を低減することができる。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転方法によれば、低コスト化、かつ、エネルギーロスを小さくすることが可能となり、また、耐久性を向上させることが可能となる。
図１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概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。 図３は、本実施の形態１における変形例１の燃料電池発電システムの概略構成を示す模式図である。 図４は、本実施の形態１における変形例１の燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。 図５は、本実施の形態１における変形例２の燃料電池発電システムの概略構成を示す模式図である。 図６は、本実施の形態１における変形例２の燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。 図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの概略構成を示す模式図である。 図８は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。 図９は、実施の形態２における変形例１の燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。 図１０は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。 図１１は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。 図１２は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムは、電解質膜と、アノードと、カソードと、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、を有し、アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、原料ガス供給器から供給された原料ガスと水供給器から供給された水とを改質反応させて燃料ガスを生成し、該燃料ガスを燃料ガス供給経路を介して燃料電池の燃料ガス流路に供給する燃料生成器と、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給経路を介して燃料電池の酸化剤ガス流路に供給する酸化剤ガス供給器と、燃料電池の燃料ガス流路から排出された未利用の燃料ガスが通流する燃料ガス排出経路と、燃料電池の酸化剤ガス流路から排出された未利用の酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス排出経路と、燃料電池から電力を取り出して外部負荷に供給する出力制御器と、燃料ガス流路の上流側の経路、燃料ガス流路の下流側の経路、及び酸化剤ガス流路の上流側の経路のそれぞれの経路を開閉するように構成された開閉機構と、制御器と、を備え、制御器は、停止処理において、燃料電池から取り出す電力量を低下させて、その後、外部負荷への電力供給を停止するように出力制御器を制御し、酸化剤ガス供給器からの酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、酸化剤ガス流路の上流側の経路を開閉機構によって閉止し、酸化剤ガス流路の上流側の経路を閉止後、電解質膜を通じてクロスリークした燃料ガスで酸化剤ガス流路内が置換される所定の時間経過後に、原料ガス供給器及び水供給器を停止させ、その後、開閉機構により、燃料ガス流路の上流側の経路及び燃料ガス流路の下流側の経路を閉止するように構成されている態様を例示するものである。
［燃料電池発電システムの構成］
図１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概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００は、電解質膜１１Ａと燃料ガス流路１と酸化剤ガス流路２を有する燃料電池１１、燃焼器１２Ａを有する燃料生成器１２、燃料ガス供給経路５１、燃料ガス排出経路５２、燃料ガス供給開閉器７１、燃料ガス排出開閉器７２、酸化剤ガス供給器１３、酸化剤ガス供給経路５４、酸化剤ガス供給開閉器７４、酸化剤ガス排出経路５５、酸化剤ガス排出開閉器７５、出力制御器１４、水供給器１５、原料ガス供給器１６、及び制御器２０を備える。また、本実施の形態１においては、燃料ガス供給開閉器７１、燃料ガス排出開閉器７２、酸化剤ガス供給開閉器７４、及び酸化剤ガス排出開閉器７５が開閉機構を構成する。
そして、制御器２０は、停止処理において、燃料電池１１から取り出す電力量を低下させて、その後、外部負荷への電力供給を停止するように出力制御器１４を制御し、酸化剤ガス供給器１３からの酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、酸化剤ガス供給経路５４（酸化剤ガス流路２の上流側の経路）を開閉機構（酸化剤ガス供給開閉器７４）によって閉止し、酸化剤ガス供給経路５４を閉止後、電解質膜１１Ａを通じてクロスリークした燃料ガスで酸化剤ガス流路２内の酸素が消費される所定の時間経過後に、原料ガス供給器１６及び水供給器１５を停止させ、その後、開閉機構（燃料ガス供給開閉器７１、燃料ガス排出開閉器７２、酸化剤ガス排出開閉器７５）により、燃料ガス供給経路５１（燃料ガス流路１の上流側の経路）、燃料ガス排出経路５２（燃料ガス流路１の下流側の経路）、及び酸化剤ガス排出経路５５を閉止するように構成されている。
燃料電池１１は、電解質膜１１Ａ、アノード１１Ｂ、カソード１１Ｃ、燃料ガス流路１、及び酸化剤ガス流路２を有している。電解質膜１１Ａとしては、例えば、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（例えば、米国デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ（商品名））を用いることができる。燃料ガス流路１は、燃料ガスをアノード１１Ｂに供給するように構成されている。また、酸化剤ガス流路２は、酸化剤ガスをカソード１１Ｃに供給するように構成されている。そして、アノード１１Ｂ及びカソード１１Ｃでは、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学的に反応して、水が生成されて、電気と熱が発生する。また、燃料電池１１には、水や不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等の冷却媒体が図示されない冷却媒体流路を通流する。これにより、発生した熱の回収が行われる。冷却媒体が回収した熱は、さらに、水と熱交換して、お湯として貯湯タンク（図示せず）に貯えられる。なお、本実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の燃料電池１１は、従来の高分子電解質形燃料電池が用いることができ、その構成の詳細な説明は省略する。
燃料生成器１２は、改質器１２Ｂと蒸発器１２Ｃを有している。蒸発器１２Ｃには、水供給経路５６を介して水供給器１５が接続されている。また、水供給経路５６には、水開閉器７６が設けられている。水供給器１５は、蒸発器１２Ｃに水の流量を調整して供給することができれば、どのような形態であってもよい。水供給器１５としては、例えば、水の流量を調整する流量調整器を用いることができる。流量調整器は、流量調整弁単体やポンプ単体で構成されていてもよく、また、ポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。水開閉器７６は、水の通流を遮断するように構成された機器であればどのような形態であってもよい。水開閉器７６としては、例えば、電磁弁等の開閉弁を用いることができる。蒸発器１２Ｃは、水供給器１５から供給された水を気化して、改質器１２Ｂに水蒸気を供給するように構成されている。
改質器１２Ｂは、原料ガスと水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質触媒を有している。改質器１２Ｂには、原料ガス供給経路５７を介して原料ガス供給器１６が接続されている。また、原料ガス供給経路５７には、原料ガス開閉器７７が設けられている。原料ガス供給器１６は、改質器１２Ｂに原料ガスの流量を調整して供給することができればどのような形態であってもよい。原料ガス供給器１６としては、例えば、流量調整弁単体やブースターポンプ単体で構成されていてもよく、また、ブースターポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。原料ガス開閉器７７は、原料ガスの通流を遮断するように構成された機器であればどのような形態であってもよい。原料ガス開閉器７７としては、例えば、電磁弁等の開閉弁を用いることができる。そして、改質器１２Ｂでは、原料ガス供給器１６から供給された原料ガスと、蒸発器１２Ｃから供給された水蒸気とが改質反応され、水素含有ガスが生成され、生成された水素含有ガスは、燃料ガスとして、燃料ガス供給経路５１に供給される。
なお、原料ガスとしては、例えば、エタン、プロパン等の炭化水素といった、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むものを使用することができる。また、メタノール等のアルコール系原料といった液体原料を用いる場合、燃料生成器１２内は高温であるため、液体原料が改質器１２Ｂ内に供給されると、液体原料は、気化してガスとして供給される。また、原料ガス供給器１６は、メタンを主成分とする都市ガス（天然ガス）を原料ガスと使用した場合に、都市ガスに含まれる臭気成分（例えば、メルカプタン等）を除去する脱臭器を有するように構成されていてもよい。この場合、脱臭器は、活性炭やフィルターを有する構成としてもよく、臭気成分を吸着により除去するゼオライト系吸着剤を用いる構成としてもよく、或いは、水添脱硫触媒を用いる構成としてもよい。
また、燃料生成器１２は、燃焼器１２Ａを有しており、燃焼器１２Ａには、燃料ガス排出経路５２の下流端が接続されている。また、燃焼器１２Ａには、燃焼空気供給経路５８を介して燃焼空気供給器１７が接続されている。燃焼器１２Ａは、例えば、イグナイタ及び燃焼排ガスの燃焼状態を検知するフレームロッドを有していてもよい。燃焼空気供給器１７は、燃焼器１２Ａに燃焼用空気を供給することができればどのような形態であってもよい。燃焼空気供給器１７としては、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を用いることができる。そして、燃焼器１２Ａでは、燃焼用燃料と燃焼用空気が供給され、これらが燃焼して、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、改質器１２Ｂや蒸発器１２Ｃを加熱した後、燃焼排ガス経路（図示せず）を通流して燃料電池発電システム１００外に排出される。なお、燃焼用燃料としては、例えば、原料ガスや改質器１２Ｂで生成された水素含有ガスが挙げられる。
燃料ガス供給経路５１は、燃料生成器１２と燃料電池１１（正確には、燃料電池１１の燃料ガス流路１）とを接続しており、燃料生成器１２で生成された燃料ガスが通流するように構成されている。また、燃料ガス供給経路５１には、燃料ガス供給開閉器７１が設けられている。燃料ガス供給開閉器７１は、燃料ガス等の通流を遮断するように構成された機器であればどのような形態であってもよい。燃料ガス供給開閉器７１としては、例えば、電磁弁等の開閉弁を用いることができる。これにより、燃料生成器１２で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給経路５１を通流して、燃料電池１１の燃料ガス流路１に供給される。
燃料ガス排出経路５２は、燃料電池１１のアノード１１Ｂで未利用の燃料ガス（以下、オフ燃料ガス）が通流するように構成されている。燃料ガス排出経路５２を通流したオフ燃料ガスは、燃料生成器１２の燃焼器１２Ａに供給される。また、燃料ガス排出経路５２には、燃料ガス排出開閉器７２が設けられている。燃料ガス排出開閉器７２は、オフ燃料ガス等の通流を遮断するように構成された機器であればどのような形態であってもよい。燃料ガス排出開閉器７２としては、例えば、電磁弁等の開閉弁を用いることができる。
酸化剤ガス供給器１３は、酸化剤ガス供給経路５４を介して燃料電池１１（正確には、燃料電池１１の酸化剤ガス流路２）に接続されている。酸化剤ガス供給経路５４の途中には、酸化剤ガス供給開閉器７４が設けられている。酸化剤ガス供給器１３は、燃料電池１１の酸化剤ガス流路２に酸化剤ガス（空気）の流量を調整して供給することができればどのような形態であってもよい。酸化剤ガス供給器１３としては、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を用いることができる。また、酸化剤ガス供給開閉器７４は、酸化剤ガスの通流を遮断するように構成された機器であればどのような形態であってもよい。酸化剤ガス供給開閉器７４としては、例えば、電磁弁等の開閉弁を用いることができる。
また、燃料電池１１の酸化剤ガス流路２の下流端には、酸化剤ガス排出経路５５が接続されている。酸化剤ガス排出経路５５は、燃料電池１１のカソード１１Ｃで未利用の酸化剤ガス（以下、オフ酸化剤ガス）が通流するように構成されている。酸化剤ガス排出経路５５を通流したオフ酸化剤ガスは、燃料電池発電システム１００外に排出される。また、酸化剤ガス排出経路５５の途中には、酸化剤ガス排出開閉器７５が設けられている。酸化剤ガス排出開閉器７５は、オフ酸化剤ガスの通流を遮断するように構成された機器であればどのような形態であってもよい。酸化剤ガス排出開閉器７５としては、例えば、電磁弁等の開閉弁を用いることができる。
燃料電池１１には、配線４１を介して出力制御器１４が接続されている。出力制御器１４は、燃料電池１１から取り出す電力量を制御するように構成されている。具体的には、出力制御器１４は、燃料電池１１で発生した電力を昇圧し、また、直流電流を交流電流に変換する。そして、出力制御器１４は、燃焼空気供給器１７等の直流電流を使用する、燃料電池発電システム１００の補機に供給し、また、交流電流を外部負荷に供給する。出力制御器１４としては、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータを有する構成としてもよい。
制御器２０は、水供給器１５等の燃料電池発電システム１００を構成する各機器を制御する機器であればどのような形態であってもよく、例えば、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等で構成することができる。なお、制御器２０は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池発電システム１００の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器２０は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部だけでなく、メモリ等からなる記憶部及び計時部を有していてもよい。
リモコン（操作器）２１は、マイコンで構成された制御部（図示せず）、通信部（図示せず）、表示部２１Ａ、及びキー操作部２１Ｂを有していて、制御部が、通信部等を制御している。また、リモコン２１は、制御信号を通信部で受信し、これを制御部が処理して表示部２１Ａに伝達する。また、リモコン２１のキー操作部２１Ｂから入力された操作信号が、リモコン２１の制御部及び通信部を介して、制御器２０に送信され、制御器２０の通信部で受信される。なお、以下の説明では、その説明を簡略化するために、制御器２０とリモコン２１との信号のやりとりは、双方の通信部による通信及びリモコン２１における制御部の処理を省略して記述する。
［燃料電池発電システムの動作］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の動作について、図２を参照しながら説明する。なお、ここでは、燃料電池発電システム１００の停止処理について説明し、本実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の発電動作については、一般的な燃料電池発電システム１００発電動作と同様に行われるため、その説明は省略する。
図２は、図１に示す燃料電池発電システム１００の運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。
図２に示すように、例えば、燃料電池発電システム１００が運転していて、予め設定された燃料電池発電システム１００の運転終了時間になった場合や使用者がリモコン２１におけるキー操作部２１Ｂの運転停止ボタンを押したような場合、制御器２０に運転停止指令が入力される（ステップＳ１０１）。
すると、制御器２０は、燃料電池１１から取り出す電力量を自立運転可能電力量に設定する。具体的には、制御器２０は、燃料電池１１で発電される電力量が、自立運転可能電力量となるように、酸化剤ガス供給器１３、出力制御器１４、水供給器１５、及び原料ガス供給器１６を制御する（ステップＳ１０２）。ここで、自立運転可能電力量とは、燃料電池システムを構成する各機器が電力取り出しを停止してもそのまま正常に動作することができる、燃料電池で発電される最小の電力量をいう。自立運転可能電力量は、例えば、燃料電池１１の定格運転したときの３０％程度の電力量であってもよい。
なお、本実施の形態１においては、ステップＳ１０２で燃料電池１１から取り出す電力量を自立運転可能電力量に設定したが、これに限定されない。燃料電池１１から取り出す電力量は、燃料電池発電システム１００の運転停止指令が、制御器２０に入力されたときの燃料電池１１の発電量よりも小さい電力量で、かつ、自立運転可能電力量以上の電力量であれば、本発明の作用効果を奏することができる。
次に、制御器２０は、出力制御器１４で取り出される電力量が、自立運転可能電力量になったか否かを判断する（ステップＳ１０３）。そして、制御器２０は、出力制御器１４で取り出される電力量が、自立運転可能電力量になると（ステップＳ１０３でＹｅｓ）、ステップＳ１０４に進む。
ステップＳ１０４では、制御器２０は、外部負荷への電力供給を停止するように出力制御器１４を制御する。また、外部負荷への電力供給中における燃料電池１１へ供給されている水素の大部分は発電に利用（通常７０〜８５％程度）されているため、燃料電池１１内部のアノード１１Ｂ（正確には、燃料ガス流路１内、及び燃料ガス排出経路５２における燃料ガス排出開閉器７２までの部分）の水素濃度は低い。そこで、アノード１１Ｂ内部を未利用の水素リッチな燃料ガスで置換するために、外部負荷への電力供給を停止してからステップＳ１０５に進むまでの時間は、以下の（式１）で示される時間Ｔ秒であることが好ましい。
（式１）３×Ａ／ＦＲａ≦Ｔ≦５×Ａ／ＦＲａ
Ａ：燃料ガス供給開閉器と燃料ガス排出開閉器とで密閉される空間容積［Ｌ］
ＦＲａ：燃料電池１１から取り出す電力量を自立運転可能電力量と設定した場合の燃料生成器１２で生成される燃料ガス流量［Ｌ／ｓ］
なお、出力制御器１４は、外部負荷への電力供給を停止すると共に、燃料電池発電システム１００を構成する補機に燃料電池１１が発電した直流電力の供給を停止してもよい。また、燃料電池１１を構成するセルの平均電圧が所定の値になるまで、補機に直流電力を供給するように構成されていてもよい。ここで、燃料電池発電システム１００を構成する補機は、直流電力で作動する機器である。補機としては、例えば、燃焼空気供給器１７や酸化剤ガス供給器１３や図示されない貯湯タンクに貯えられる水を加熱する電気ヒータ等が挙げられる。このように構成すれば、より低コスト化が図れる。また、所定の値は、例えば、燃料電池１１で発電した電力をＤＣ／ＤＣコンバータ経由で補機の駆動に利用する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータが安定動作可能な入力電圧下限値が１１Ｖとすると２０セル積層の燃料電池１１の場合、１１Ｖ／２０セル＝０．５５Ｖ／セルとなる。すなわち、所定の値は、使用するＤＣ／ＤＣコンバータの安定動作可能な入力電圧下限値を燃料電池１１のセルの積層数で除した値となる。
ついで、制御器２０は、酸化剤ガス供給器１３を停止させ（ステップＳ１０５）、酸化剤ガス供給開閉器７４を閉止させる（ステップＳ１０６）。なお、燃料生成器１２は停止されないので、燃料生成器１２から燃料ガス供給経路５１を経由して、燃料ガスが供給される。
これにより、燃料電池１１の酸化剤ガス流路２内に残存する酸化剤ガス（酸素）は、燃料ガス流路１から電解質膜１１Ａを介して、酸化剤ガス流路２にリークした燃料ガス（水素）と反応して、消費される。酸化剤ガスが消費されることにより、酸化剤ガス流路２内が負圧になると、酸化剤ガス排出経路５５内に存在する酸素濃度が低い酸化剤ガス（オフ酸化剤ガス）が、酸化剤ガス流路２内に供給される。一方、燃料電池１１の燃料ガス流路１には、燃料生成器１２から燃料ガス供給経路５１を介して燃料ガスが供給される。このため、燃料電池１１内部に外部からオフ酸化剤ガスが混入しても、オフ酸化剤ガス中の酸素は、燃料ガスで消費されるため、アノード１１Ｂやカソード１１Ｃの触媒劣化を抑制することができる。また、オフ酸化剤ガス中の酸素が消費されるため、酸化剤ガス排出経路５５の酸化剤ガス流路２近傍の経路には、酸素濃度が充分に低いオフ酸化剤ガスが存在することになる。
次に、制御器２０は、ステップＳ１０６で酸化剤ガス供給開閉器７４を閉止させてから所定の時間を経過すると（ステップＳ１０７でＹｅｓ）、原料ガス供給器１６及び水供給器１５を停止させる（ステップＳ１０８）。ここで、上記所定の時間は、燃料電池１１において、燃料ガス供給開閉器７１と燃料ガス排出開閉器７２で閉止される（封止される）燃料ガス流路１を含む空間の容積（以下、アノード空間容積）（Ａ［Ｌ］）と、酸化剤ガス供給開閉器７４と酸化剤ガス排出開閉器７５で閉止される（封止される）酸化剤ガス流路２を含む空間の容積（以下、カソード空間容積）（Ｃ［Ｌ］）の比であるＡ／Ｃ比や電解質膜１１Ａを介してリークするガス量によって適宜変更されるが、燃料電池１１内のクロスリークを介した、両極でのガス消費に伴う急激な負圧によるアノード１１Ｂへの空気流入を抑制して、アノード１１Ｂやカソード１１Ｃの触媒劣化を抑制する観点から、長い方が好ましい。
具体的には、所定の時間は、例えば、燃料電池１１のＡ／Ｃ比を１．４（Ａ＝０．３５Ｌ、Ｃ＝０．２５Ｌ）とし、ガスリーク量が『小形固体高分子形燃料電池システムの安全基準（ＪＩＳ Ｃ ８８２２：２００８）』で規定の１．１７ｃｃ／ｍｉｎ（２０ｋＰａ加圧時）、保圧動作なしを想定した場合には、１０ｍｉｎ程度と設定してもよい。このように設定すると、停止直後の急激な負圧を充分に緩和でき、燃料電池発電システム１００の停止から４８時間を経過した後でも、燃料電池１１内に水素を保持しており、両電極電位も低く維持することができる。
なお、上記所定の時間は、後述するように、燃料生成器１２経由で燃料電池１１内を保圧するような場合には、以下のように設定してもよい。すなわち、燃料生成器１２（より正確には、改質器１２Ｂ）内の温度が、原料ガス由来の炭素が改質器１２Ｂの改質触媒の表面上に析出しない温度まで低下するまでの間、燃料電池１１内、特にアノード１１Ｂ内の圧力が、設計下限以上の圧力に保つことができる燃料ガス量を供給することができる時間を設定してもよい。ここで、設計下限圧力は前記の保圧できない時間中の流入空気量を必要最小限に抑制できる設計圧力である。具体的には、所定の時間は、例えば、燃料電池１１のＡ／Ｃ比を１．４（Ａ＝０．３５Ｌ、Ｃ＝０．２５Ｌ）とし、ガスリーク量が『小形固体高分子形燃料電池システムの安全基準（ＪＩＳ Ｃ ８８２２：２００８）』で規定の１．１７ｃｃ／ｍｉｎ（２０ｋＰａ加圧時）、前記保圧ができない時間が４０分程度を想定した場合には、１ｍｉｎ程度と設定してもよい。このように設定すると、停止直後の急激な負圧を緩和でき、燃料電池発電システム１００の停止から４８時間を経過した後でも、燃料電池１１内に水素を保持しており両電極電位も低く維持することができる。
次に、制御器２０は、燃料ガス供給開閉器７１及び酸化剤ガス排出開閉器７５を閉止させて（ステップＳ１０８）、燃料電池１１を封止し、本プログラムを終了する。
このように本実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００では、運転停止指令が出力されると、出力制御器１４が燃料電池１１で発電する電力量を低減することにより、燃料生成器１２で生成される燃料ガス量を低減させる。このため、従来の燃料電池発電システムよりもエネルギーロスを低減させることができる。また、燃料電池１１内を燃料ガスで置換して、燃料電池１１の電池性能を低下させないようにすることができる。さらに、酸化剤ガス流路２が負圧になっても、燃料ガスや酸素濃度の低いオフ酸化剤ガスで保圧されるため、燃料電池１１内に外気が混入することが抑制され、燃料電池１１の電池性能の低下を抑制することができる。このため、燃料電池発電システム１００の耐久性を向上することができる。
なお、上記実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００では、燃料生成器１２は、改質器１２Ｂで生成された水素含有ガス（改質ガス）が、燃料電池１１に送出される構成としたが、これに限定されない。燃料生成器１２は、改質器１２Ｂで生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するための変成触媒（例えば、銅−亜鉛系触媒）を有する変成器及び／又は酸化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）を有する一酸化炭素除去器を備える構成としてもよい。
また、上記実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００では、燃料電池１１として、一般的な固体高分子形燃料電池の構成を採用したが、これに限定されない。燃料電池１１において密閉される燃料ガス流路１を含む空間の容積（以下、アノード空間容積）（Ａ［Ｌ］）と、酸化剤ガス流路２を含む空間の容積（以下、カソード空間容積）（Ｃ［Ｌ］）は、アノード空間容積が大きいほど、燃料電池発電システム１００の運転停止直後における燃料電池１１内部の圧力低下は緩和される。そして、アノード空間容積が大きいほど、燃料電池１１内部への外部からの流入空気量も小さくなるので、燃料電池１１、ひいては、燃料電池発電システム１００の耐久性の向上が可能になる。このため、燃料電池１１は、燃料電池１１での酸素と水素の消費量及び燃料電池１１の強度の観点から、Ａ／Ｃ比が１〜３となるように構成されていることが好ましい。
さらに、本実施の形態１においては、制御器２０は、ステップＳ１０８において、水供給器１５及び原料ガス供給器１６を停止するとともに、水開閉器７６及び原料ガス開閉器７７を閉止させてもよい。
［変形例１］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の変形例について、説明する。
本実施の形態１における変形例１の燃料電池発電システムは、原料ガス供給器から燃料生成器に原料ガスを供給する原料ガス供給経路と、原料ガス供給経路を開閉する原料ガス開閉器と、水供給器から燃料生成器に前記水を供給する水供給経路と、水供給経路を開閉する水開閉器と、燃料ガス排出経路を開閉する燃料ガス排出開閉器と、酸化剤ガス供給経路を開閉する酸化剤ガス供給開閉器と、を備え、開閉機構が、原料ガス開閉器、水開閉器、燃料ガス排出開閉器、及び酸化剤ガス供給開閉器から構成されている態様を例示するものである。
［燃料電池発電システムの構成］
図３は、本実施の形態１における変形例１の燃料電池発電システムの概略構成を示す模式図である。
図３に示すように、本変形例１の燃料電池発電システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００と基本的構成は同じであるが、燃料ガス供給開閉器７１及び酸化剤ガス排出開閉器７５が設けられていない点が異なる。そして、本変形例１の燃料電池発電システム１００では、開閉機構が、水開閉器７６、原料ガス開閉器７７、燃料ガス排出開閉器７２、及び酸化剤ガス供給開閉器７４で構成されている。
［燃料電池発電システムの動作］
図４は、本実施の形態１における変形例１の燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。
図４に示すように、本変形例１の燃料電池発電システム１００は、図２に示す実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の運転停止処理と、基本的処理は同じであるが、ステップＳ１０９に代えてステップＳ１０９Ａが行われる点が異なる。具体的には、制御器２０は、ステップＳ１０９Ａにおいて、原料ガス開閉器７７、水開閉器７６、及び燃料ガス排出開閉器７２を閉止させる。
燃料ガス供給経路５１は、燃料生成器１２内に形成された経路（改質器１２Ｂ及び蒸発器１２Ｃを含む）と、水供給経路５６と、原料ガス供給経路５７と、接続されている（連通されている）。燃料生成器１２内に形成された経路は、通常、外部から空気が流入しないように構成されている。
したがって、水供給経路５６に設けられた水開閉器７６と、原料ガス供給経路５７に設けられた原料ガス開閉器７７と、を閉止することで、燃料ガス供給経路５１を閉止することができる。
ところで、上述したように、ステップＳ１０６で、酸化剤ガス供給開閉器７４を閉止すると、燃料電池１１の酸化剤ガス流路２内に残存する酸化剤ガス（酸素）は、燃料ガス流路１から電解質膜１１Ａを介して、酸化剤ガス流路２にリークした燃料ガス（水素）と反応して、消費される。酸化剤ガスが消費されることにより、酸化剤ガス流路２内が負圧になると、酸化剤ガス排出経路５５内に存在する酸素濃度が低い酸化剤ガス（オフ酸化剤ガス）が、酸化剤ガス流路２内に供給される。酸化剤ガス流路２内に供給されたオフ酸化剤ガス中の酸素は、燃料ガスにより消費される。
このため、酸化剤ガス排出経路５５の酸化剤ガス流路２近傍の経路には、酸素濃度が充分に低いオフ酸化剤ガスが存在することになる。また、酸化剤ガス排出経路５５の下流には、オフ酸化剤ガスの水蒸気及び熱を回収するための凝縮器や熱交換器（図示せず）が接続されるため、燃料電池発電システム１００外部の空気（高酸素濃度）が、酸化剤ガス排出経路５５を通流して、燃料電池１１内まで拡散・浸入することは非常に少ない。したがって、酸化剤ガス排出開閉器７５で酸化剤ガス排出経路５５を閉止しなくても、酸化剤ガス流路２は、酸素濃度が充分に低いオフ酸化剤ガスで封止されていることになる。
ここで、アノード１１Ｂやカソード１１Ｃの触媒劣化を抑制するには、停止期間中に酸化剤ガス排出経路５５から酸化剤ガス流路２内に流入するガスの容量以上のオフ酸化剤ガス（酸素濃度が充分に低いオフ酸化剤ガス）が必要である。そして、酸素濃度が充分に低いオフ酸化剤ガスの容量は、燃料ガスが燃料ガス流路１に供給される時間、すなわち、ステップＳ１０７の所定の時間によって定まる。
ここで、酸化剤ガス供給開閉器７４は、通常、酸化剤ガス供給経路５４における酸化剤ガス流路２の入口近傍に設けられることから、上記カソード空間容積は、酸化剤ガス流路２の容積と酸化剤ガス排出経路５５の酸素濃度が充分に低いオフ酸化剤ガスで充満されている経路の容積とみなすことができる。
そこで、例えば、上記のように、例えば、燃料電池１１のＡ／Ｃ比を１．４（Ａ＝０．３５Ｌ、Ｃ＝０．２５Ｌ）とし、ガスリーク量が『小形固体高分子形燃料電池システムの安全基準（ＪＩＳ Ｃ ８８２２：２００８）』で規定の１．１７ｃｃ／ｍｉｎ（２０ｋＰａ加圧時）、保圧動作なしを想定した場合には、所定の時間は、１０分程度を設定することができる。
このように所定の時間を設定することにより、燃料電池発電システム１００の停止後、燃料電池１１内が負圧になっても、酸化剤ガス流路２には、酸化剤ガス排出経路５５に存在する酸素濃度が充分に低いオフ酸化剤ガスが流入する。このため、アノード１１Ｂやカソード１１Ｃの触媒劣化を抑制することができる。また、燃料電池発電システム１００の停止から４８時間を経過した後でも、燃料電池１１内に水素を保持しており、両電極電位も低く維持することができる。
このように構成された本変形例１の燃料電池発電システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００と同様の作用効果を奏する。
［変形例２］
本実施の形態１における変形例２の燃料電池発電システムは、原料ガス供給器から燃料生成器に原料ガスを供給する原料ガス供給経路と、原料ガス供給経路を開閉する原料ガス開閉器と、水供給器から燃料生成器に水を供給する水供給経路と、水供給経路を開閉する水開閉器と、燃料ガス排出経路を開閉する燃料ガス排出開閉器と、酸化剤ガス供給経路を開閉する酸化剤ガス供給開閉器と、酸化剤ガス排出経路を閉止する酸化剤ガス排出開閉器と、を備え、開閉機構が、原料ガス開閉器、水開閉器、燃料ガス排出開閉器、酸化剤ガス供給開閉器、及び酸化剤ガス排出開閉器から構成されている態様を例示するものである。
［燃料電池発電システムの構成］
図５は、本実施の形態１における変形例２の燃料電池発電システムの概略構成を示す模式図である。
図５に示すように、本変形例２の燃料電池発電システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００と基本的構成は同じであるが、燃料ガス供給開閉器７１が設けられていない点が異なる。そして、本変形例２の燃料電池発電システム１００では、開閉機構が、水開閉器７６、原料ガス開閉器７７、燃料ガス排出開閉器７２、酸化剤ガス供給開閉器７４、及び酸化剤ガス排出開閉器７５で構成されている。
［燃料電池発電システムの動作］
図６は、本実施の形態１における変形例２の燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。
図６に示すように、本変形例１の燃料電池発電システム１００は、図２に示す実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の運転停止処理と基本的処理は同じであるが、ステップＳ１０９に代えて、ステップＳ１０９Ｂが行われる点が異なる。具体的には、ステップＳ１０９Ｂにおいて、制御器２０は、原料ガス開閉器７７、水開閉器７６、燃料ガス排出開閉器７２、及び酸化剤ガス排出開閉器７５を閉止させる。
なお、本変形例２の燃料電池発電システム１００では、燃料ガス供給開閉器７１を設けていないが、上述した変形例１の燃料電池発電システム１００と同様に、水開閉器７６及び原料ガス開閉器７７を閉止することで、燃料ガス供給経路５１を閉止することができる。
このように構成された本変形例２の燃料電池発電システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムは、燃料ガス供給経路と燃料ガス排出経路とを接続し、燃料ガスがバイパスする燃料ガスバイパス経路を備え、開閉機構は、燃料ガス流路の上流側の経路、燃料ガス流路の下流側、かつ、燃料ガスバイパス経路の接続部分よりも上流側の経路、酸化剤ガス流路の上流側の経路、及び燃料ガスバイパス経路のそれぞれの経路を開閉するように構成され、制御器は、停止処理において、燃料電池から取り出す電力量を低下させて、その後、外部負荷への電力供給を停止するように出力制御器を制御し、酸化剤ガス供給器からの酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、開閉機構により、酸化剤ガス流路の上流側の経路を閉止し、燃料ガスバイパス経路を開放し、及び燃料ガス流路の下流側、かつ、燃料ガスバイパス経路の接続部分よりも上流側の経路を閉止し、その後、電解質膜を通じてクロスリークした燃料ガスで酸化剤ガス流路内が置換される所定の時間経過後に、原料ガス供給器及び水供給器を停止させ、その後、開閉機構により、少なくとも燃料ガス流路の上流側の経路及び燃料ガスバイパス経路を閉止するように構成されている態様を例示するものである。
［燃料電池発電システムの構成］
図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの概略構成を示す模式図である。
図７に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００と基本的構成は同じであるが、燃料ガスバイパス経路５３と、該燃料ガスバイパス経路５３に設けられた燃料ガスバイパス開閉器７３と、を備える点が異なる。
具体的には、燃料ガスバイパス経路５３の上流端は、燃料ガス供給経路５１に接続されていて、その下流端は、燃料ガス排出経路５２に接続されている。また、燃料ガスバイパス経路５３には、燃料ガスバイパス開閉器７３が設けられている。燃料ガスバイパス開閉器７３は、燃料ガス等の通流を遮断するように構成された機器であればどのような形態であってもよい。燃料ガスバイパス開閉器７３としては、例えば、電磁弁等の開閉弁を用いることができる。そして、本実施の形態２においては、燃料ガス排出開閉器７２は、燃料ガス排出経路５２の燃料ガスバイパス経路５３の接続部分よりも上流側に設けられている。
［燃料電池発電システムの動作］
図８は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。
図８に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池発電システム１００は、図２に示す実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の運転停止処理と基本的処理は同じであるが、ステップＳ１０６とステップＳ１０９に代えてステップＳ１０６ＣとステップＳ１０９Ｃが行われる点が異なる。
具体的には、本実施の形態２に係る燃料電池発電システム１００において、ステップＳ１０６Ｃでは、制御器２０は、燃料ガス排出開閉器７２及び酸化剤ガス排出開閉器７５を閉止させ、燃料ガスバイパス開閉器７３を開放する。これにより、燃料生成器１２で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給経路５１から燃料ガスバイパス経路５３を経由して、燃料ガス排出経路５２を通流して、燃焼器１２Ａに供給される。また、燃料ガス流路１内では、燃料ガスがクロスリークすることにより、燃料ガス流路１内が負圧になると、燃料ガス供給経路５１から燃料ガスが供給されて、燃料ガス流路１は保圧される。
そして、ステップＳ１０６Ｃが上記のように行われるため、ステップＳ１０９Ｃでは、制御器２０は、燃料ガス供給開閉器７１、燃料ガスバイパス開閉器７３、及び酸化剤ガス排出開閉器７５を閉止させる。
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池発電システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００と同様の作用効果を奏する。
なお、本実施の形態２に係る燃料電池発電システム１００では、燃料ガス供給開閉器７１及び酸化剤ガス排出開閉器７５を設ける形態を採用したが、これに限定されない。例えば、実施の形態１における変形例１のように、燃料ガス供給開閉器７１及び酸化剤ガス排出開閉器７５を設けない形態を採用してもよい。この場合、制御器２０は、ステップＳ１０９Ｃにおいて、水開閉器７６、原料ガス開閉器７７、及び燃料ガスバイパス開閉器７３を閉止させる。
また、本実施の形態２に係る燃料電池発電システム１００は、実施の形態１における変形例２のように、酸化剤ガス排出開閉器７５を設けない形態を採用してもよい。この場合、制御器２０は、ステップＳ１０９Ｃにおいて、燃料ガス供給開閉器７１及び燃料ガスバイパス開閉器７３を閉止させる。
［変形例１］
次に、本実施の形態２に係る燃料電池発電システム１００の変形例１について、図９を参照しながら説明する。なお、変形例１の燃料電池発電システム１００は、実施の形態２に係る燃料電池発電システム１００と構成は同じであるため、その構成の説明は省略する。
図９は、実施の形態２における変形例１の燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。
図９に示すように、変形例１の燃料電池発電システム１００は、図８に示す実施の形態２に係る燃料電池発電システム１００の運転停止処理と基本的処理は同じであるが、ステップＳ１０６ＣとステップＳ１０９Ｃに代えて、ステップＳ１０６ＤとステップＳ１０９Ｄが行われる点が異なる。
具体的には、ステップＳ１０６Ｄでは、制御器２０は、燃料ガスバイパス開閉器７３及び酸化剤ガス供給開閉器７４を閉止させ（正確には、燃料ガスバイパス開閉器７３の閉止状態を維持させ、酸化剤ガス供給開閉器７４を閉止させ）、燃料ガス供給開閉器７１、燃料ガス排出開閉器７２、及び酸化剤ガス排出開閉器７５を開放する（正確には、燃料ガス供給開閉器７１、燃料ガス排出開閉器７２、及び酸化剤ガス排出開閉器７５の開放状態を維持する）。これにより、燃料電池１１の燃料ガス流路１には、燃料生成器１２から燃料ガス供給経路５１を介して燃料ガスの供給が行われる。
そして、ステップＳ１０６Ｄが上記のように行われるため、ステップＳ１０９Ｄでは、制御器２０は、燃料ガス供給開閉器７１、燃料ガス排出開閉器７２、及び酸化剤ガス排出開閉器７５を閉止させる。
このように構成された本変形例１の燃料電池発電システム１００であっても、実施の形態２に係る燃料電池発電システム１００と同様の作用効果を奏する。
なお、本変形例１の燃料電池発電システム１００は、燃料ガス供給開閉器７１及び酸化剤ガス排出開閉器７５を設ける形態を採用したが、これに限定されない。例えば、実施の形態１における変形例１のように、燃料ガス供給開閉器７１及び酸化剤ガス排出開閉器７５を設けない形態を採用してもよい。この場合、制御器２０は、ステップＳ１０９Ｄにおいて、水開閉器７６、原料ガス開閉器７７、及び燃料ガス排出開閉器７２を閉止させる。
また、本変形例１の燃料電池発電システム１００は、実施の形態１における変形例２のように、酸化剤ガス排出開閉器７５を設けない形態を採用してもよい。この場合、制御器２０は、ステップＳ１０９Ｄにおいて、燃料ガス排出開閉器７２及び酸化剤ガス排出開閉器７５を閉止させる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムは、制御器が、酸化剤ガス供給器からの酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、原料ガス供給器及び水供給器を停止させるように構成されている態様を例示するものである。
また、本実施の形態３に係る燃料電池発電システムでは、燃料生成器は、燃料電池から排出された可燃ガスを燃焼する燃焼器を有し、制御器は、停止処理において、燃料電池から取り出す電力量を低下させて、その後、外部負荷への電力供給を停止するように出力制御器を制御し、酸化剤ガス供給器からの酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、酸化剤ガス流路の上流側の経路を開閉機構によって閉止し、酸化剤ガス流路の上流側の経路を閉止後、電解質膜を通じてクロスリークした燃料ガスで酸化剤ガス流路内が置換される所定の時間経過後に、原料ガス供給器及び水供給器を停止させ、燃焼器で燃料電池から排出された可燃ガスを燃焼させ、燃焼器が失火すると、開閉機構により、少なくとも燃料ガス流路の上流側の経路及び燃料ガス流路の下流側の経路を閉止するように構成されていてもよい。
図１０は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。
本発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００と構成は同じであるため、その構成の説明は省略する。図１０に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池発電システム１００は、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０４までは、図２に示す実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００のステップＳ１０１〜ステップＳ１０４と同じであるが、ステップＳ２０５以降の処理が、実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の運転停止処理と異なる。
具体的には、実施の形態３に係る燃料電池発電システム１００において、ステップＳ２０５では、制御器２０は、水供給器１５、原料ガス供給器１６、及び酸化剤ガス供給器１３を停止させ、水開閉器７６及び原料ガス開閉器７７を閉止させる。なお、水供給器１５と原料ガス供給器１６を停止させ、水開閉器７６及び原料ガス開閉器７７を閉止させて、燃料生成器１２への水及び原料の供給を遮断しても、燃料生成器１２内は高温状態が保たれるため、蒸発器１２Ｃ内に残存する水が気化して水蒸気が生成され、燃料生成器１２内では、しばらくは燃料ガスが生成される。このため、燃料生成器１２及び酸化剤ガス供給器１３を同じタイミングで停止させても、酸化剤ガス流路２内における酸化剤ガスの消費や燃料ガス流路１の保圧を充分に行うことは可能である。
次に、制御器２０は、酸化剤ガス供給開閉器７４を閉止させる（ステップＳ２０６）。これにより、酸化剤ガス流路２内における酸化剤ガスの消費等を行う。
ところで、蒸発器１２Ｃで水蒸気の生成が停止されると、燃料ガス供給経路５１に原料ガスや燃料ガスが押し出されなくなり、燃焼器１２Ａが失火する。このため、本実施の形態３においては、実施の形態１とは異なり、制御器２０が、燃焼器１２Ａが失火したか否かを判断する（ステップＳ２０７）。なお、燃焼器１２Ａが失火したか否かの判断は、例えば、燃焼器１２Ａに設けられたフレームロッドにより、燃焼器１２Ａの失火を検出することで判断してもよく、また、予め、燃焼器１２Ａが失火する時間を実験等で算出しておき、当該時間を経過することにより判断してもよい。
そして、制御器２０は、燃焼器１２Ａが失火したと判断すると（ステップＳ２０７でＹｅｓ）、燃料ガス供給開閉器７１、燃料ガス排出開閉器７２、及び酸化剤ガス排出開閉器７５を閉止させ（ステップＳ２０８）、本プログラムを終了する。
このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池発電システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００と同様の作用効果を奏する。
なお、ステップＳ２０４からステップＳ２０５にすぐに移行してもよいが、アノード１１Ｂを未利用の水素リッチな燃料ガスで置換する観点から、燃料電池１１の燃料ガス流路１内を、水素リッチな燃料ガスでパージするのが好ましい。また、燃料ガス流路１内がパージされたか否かの判断としては、例えば、外部負荷への電力供給を停止してから酸化剤ガス供給器１３を停止するまでの時間を予め設定する方法が挙げられる。
また、本実施の形態３では、制御器２０が、燃焼器１２Ａが失火したと判断すると、ステップＳ２０８に移行したが、これに限定されず、実施の形態１のように、所定の時間経過後に、ステップＳ２０８に移行してもよい。
また、本実施の形態３に係る燃料電池発電システム１００では、燃料ガス供給開閉器７１及び酸化剤ガス排出開閉器７５を設ける形態を採用したが、これに限定されない。例えば、実施の形態１における変形例１のように、燃料ガス供給開閉器７１及び酸化剤ガス排出開閉器７５を設けない形態を採用してもよい。この場合、制御器２０は、ステップＳ２０８において、水開閉器７６、原料ガス開閉器７７、及び燃料ガス排出開閉器７２を閉止させる。
さらに、本実施の形態３に係る燃料電池発電システム１００は、実施の形態１における変形例２のように、酸化剤ガス排出開閉器７５を設けない形態を採用してもよい。この場合、制御器２０は、ステップＳ２０８において、燃料ガス供給開閉器７１及び燃料ガス排出開閉器７２を閉止させる。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムは、制御器が、酸化剤ガス供給器からの酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、原料ガス供給器及び水供給器を停止させるように構成されている態様を例示するものである。
また、本実施の形態４に係る燃料電池発電システムでは、燃料生成器は、燃料電池から排出された可燃ガスを燃焼する燃焼器を有し、制御器は、停止処理において、燃料電池から取り出す電力量を低下させて、その後、外部負荷への電力供給を停止するように出力制御器を制御し、酸化剤ガス供給器からの酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、酸化剤ガス流路の上流側の経路を開閉機構によって閉止し、酸化剤ガス流路の上流側の経路を閉止後、電解質膜を通じてクロスリークした燃料ガスで酸化剤ガス流路内が置換される所定の時間経過後に、原料ガス供給器及び水供給器を停止させ、燃焼器で燃料電池から排出された可燃ガスを燃焼させ、燃焼器が失火すると、開閉機構により、少なくとも燃料ガス流路の上流側の経路及び燃料ガス流路の下流側の経路を閉止するように構成されていてもよい。
図１１は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。
本発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システム１００は、実施の形態２に係る燃料電池発電システム１００と構成は同じであるため、その構成の説明は省略する。
図１１に示すように、本実施の形態４に係る燃料電池発電システム１００では、図１０に示す実施の形態３に係る燃料電池発電システム１００の運転停止処理と基本的処理は同じであるが、ステップＳ２０６とステップＳ２０８に代えて、ステップＳ２０６ＡとステップＳ２０８Ａが行われる点が異なる。
具体的には、実施の形態４に係る燃料電池発電システム１００において、ステップＳ２０６Ａでは、酸化剤ガス供給開閉器７４及び燃料ガス排出開閉器７２を閉止させ、燃料ガスバイパス開閉器７３を開放する。これにより、酸化剤ガス流路２内における酸化剤ガスの消費等を行う。
ところで、燃料ガス排出開閉器７２により燃料ガス排出経路５２を閉止しているため、酸化剤ガス流路２内における酸化剤ガスの消費等により、燃料ガス流路１内の保圧が必要になる場合がある。しかしながら、上述したように、ステップＳ２０５で燃料生成器１２への水及び原料の供給を遮断しても、しばらく燃料ガスが生成される。このため、燃料生成器１２及び酸化剤ガス供給器１３を同じタイミングで停止させても、酸化剤ガス流路２内における酸化剤ガスの消費等により、燃料ガス流路１の保圧を行うために必要な燃料ガスを、燃料ガス供給経路５１から供給することは可能である。
そして、制御器２０は、実施の形態３と同様に、燃焼器１２Ａが失火したと判断すると（ステップＳ２０７でＹｅｓ）、燃料ガス供給開閉器７１、燃料ガスバイパス開閉器７３、及び酸化剤ガス排出開閉器７５を閉止させ（ステップＳ２０８Ａ）、本プログラムを終了する。
このように構成された本実施の形態４に係る燃料電池発電システム１００であっても、実施の形態３に係る燃料電池発電システム１００と同様の作用効果を奏する。
なお、本実施の形態４においては、ステップＳ２０６Ａで酸化剤ガス供給開閉器７４及び燃料ガス排出開閉器７２を閉止させ、燃料ガスバイパス開閉器７３を開放し、ステップＳ２０８Ａで燃料ガス供給開閉器７１、燃料ガスバイパス開閉器７３、及び酸化剤ガス排出開閉器７５を閉止させたが、これに限定されない。
例えば、制御器２０は、ステップＳ２０６Ａで燃料ガスバイパス開閉器７３及び酸化剤ガス供給開閉器７４を閉止させ（正確には、燃料ガスバイパス開閉器７３の閉止状態を維持し、酸化剤ガス供給開閉器７４を閉止させ）、燃料ガス供給開閉器７１、燃料ガス排出開閉器７２及び酸化剤ガス排出開閉器７５を開放（正確には、燃料ガス供給開閉器７１、燃料ガス排出開閉器７２及び酸化剤ガス排出開閉器７５の開放状態を維持）させてもよい。また、制御器２０は、ステップＳ２０８Ａで燃料ガス供給開閉器７１、燃料ガス排出開閉器７２、及び酸化剤ガス排出開閉器７５を閉止させてもよい。
また、本実施の形態４においては、ステップＳ２０４からステップＳ２０５にすぐに移行してもよいが、アノード１１Ｂを未利用の水素リッチな燃料ガスで置換する観点から、燃料電池１１の燃料ガス流路１内を、水素リッチな燃料ガスでパージするのが好ましい。また、燃料ガス流路１内がパージされたか否かの判断としては、例えば、外部負荷への電力供給を停止してから酸化剤ガス供給器１３を停止するまでの時間を予め設定する方法が挙げられる。
また、本実施の形態４では、制御器２０が、燃焼器１２Ａが失火したと判断すると、ステップＳ２０８Ａに移行したが、これに限定されず、実施の形態１のように、所定の時間経過後に、ステップＳ２０８Ａに移行してもよい。
また、本実施の形態４に係る燃料電池発電システム１００では、燃料ガス供給開閉器７１及び酸化剤ガス排出開閉器７５を設ける形態を採用したが、これに限定されない。例えば、実施の形態１における変形例１のように、燃料ガス供給開閉器７１及び酸化剤ガス排出開閉器７５を設けない形態を採用してもよい。この場合、制御器２０は、ステップＳ２０８Ａにおいて、水開閉器７６、原料ガス開閉器７７、及び燃料ガス排出開閉器７２を閉止させる。
さらに、本実施の形態４に係る燃料電池発電システム１００は、実施の形態１における変形例２のように、酸化剤ガス排出開閉器７５を設けない形態を採用してもよい。この場合、制御器２０は、ステップＳ２０８Ａにおいて、燃料ガス供給開閉器７１及び燃料ガス排出開閉器７２を閉止させる。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムは、制御器が、開閉機構により、少なくとも燃料ガス流路の上流側の経路及び燃料ガス流路の下流側の経路を閉止後、燃料生成器内が原料ガスから炭素析出が生じる温度以下になると、開閉機構により、燃料ガス流路の上流側の経路を開放し、原料ガス供給器から原料ガスを燃料生成器を介して、燃料電池の燃料ガス流路に供給する態様を例示するものである。
また、本実施の形態５に係る燃料電池発電システムでは、制御器が、燃料電池の温度低下に伴う圧力低下に対して、開閉機構により、燃料ガス流路の上流側の経路を開放し、原料ガス供給器から原料ガスを燃料生成器を介して、燃料ガス流路に供給するように構成されていてもよい。
さらに、本実施の形態５に係る燃料電池発電システムでは、開閉機構が、酸化剤ガス流路の下流側の経路も開閉するように構成されている場合、制御器は、燃料電池の温度低下に伴う圧力低下に対して、開閉機構により、燃料ガス流路の上流側の経路を開放し、原料ガス供給器から原料ガスを燃料生成器を介して、燃料ガス流路に供給し、かつ、酸化剤ガス流路の下流側の経路を開放するように構成されていてもよい。
図１２は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムの運転停止処理を模式的に示すフローチャートである。
本発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００と構成は同じであるため、その構成の説明は省略する。図１２に示すように、本実施の形態５に係る燃料電池発電システム１００は、図２に示す実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の運転停止処理と、基本的処理は同じであるが、燃料生成器１２及び燃料電池１１の保圧処理を行うように構成されている点が異なる。
具体的には、制御器２０は、ステップＳ１０９までの各ステップを実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００の運転停止処理と同様に実行する。そして、ステップＳ１０９終了後、燃料生成器１２（より正確には、改質器１２Ｂ）内の温度が、原料ガス由来の炭素が改質器１２Ｂの改質触媒の表面上に析出しない温度まで低下すると（ステップＳ１１０でＹｅｓ）、燃料ガス供給開閉器７１、酸化剤ガス排出開閉器７５、及び原料ガス開閉器７７を開放し、原料ガス供給器１６を作動させる（ステップＳ１１１）。これにより、原料ガス供給器１６から原料ガスが原料ガス供給経路５７を通流して燃料生成器１２に供給され、燃料生成器１２が保圧される。また、燃料生成器１２内に供給された原料ガスは、さらに、燃料ガス供給経路５１を通流して、燃料電池１１の燃料ガス流路１内に供給され、燃料ガス流路１が保圧される。一方、燃料電池１１の酸化剤ガス流路２には、酸化剤ガス排出経路５５に存在するオフ酸化剤ガスが供給されて、酸化剤ガス流路２が保圧される。
なお、原料ガス由来の炭素が改質器１２Ｂの改質触媒の表面上に析出しない温度は、例えば、改質器１２Ｂの改質触媒が、Ｒｕ系触媒を用いている場合は４５０℃以下、Ｎｉ系触媒を用いている場合は３００℃以下であることが好ましい。また、当該温度以下になったか否かの判断は、改質器１２Ｂ内の温度を温度検知器により検知することで行ってもよく、また、予め実験等で、ステップＳ１０９終了後、改質器１２Ｂ内が当該温度以下になる時間を求めておき、当該時間が経過することで行ってもよい。
そして、制御器２０は、燃料ガス供給開閉器７１、酸化剤ガス排出開閉器７５、及び原料ガス開閉器７７を閉止し、原料ガス供給器１６を停止させる（ステップＳ１１２）。なお、燃料ガス供給開閉器７１、酸化剤ガス排出開閉器７５、及び原料ガス開閉器７７を開放し、原料ガス供給器１６を作動させる時間は、燃料生成器１２の大きさや、アノード空間容積やカソード空間容積によって、適宜設定される。
次に、制御器２０は、外気温変化、外気圧変化、燃料電池内圧変化、又は予めプログラムされた周期等により、燃料電池１１及び／又は燃料生成器１２内が負圧になり、保圧が必要になると（ステップＳ１１４でＹｅｓ）、ステップＳ１１１及びステップＳ１１２を行い、燃料電池１１及び／又は燃料生成器１２を保圧する。そして、制御器２０は、リモコン２１から次の運転開始指令が入力されるまで、ステップＳ１１１〜ステップＳ１１３を繰り返す。
このように構成された本実施の形態５に係る燃料電池発電システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池発電システム１００と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態５に係る燃料電池発電システム１００では、改質器１２Ｂの改質触媒の劣化を抑制しつつ、燃料生成器１２内を保圧することができる。
なお、本実施の形態５に係る燃料電池発電システム１００では、燃料ガス流路１と酸化剤ガス流路２を同時に保圧する場合を示したが、同時に保圧を行わなくても同様の効果が得られる。また、酸化剤ガス流路２の保圧は、保圧するガスが空気であること及び数回の保圧動作後は減圧速度がかなり小さくなることから、必要以上に保圧を行うとエネルギーロスになり、また不必要な酸素を取り込み耐久性が低下する可能性があるため、好ましくは、停止から３〜５時間経過すると酸化剤ガス流路２の保圧のみ停止、すなわち、酸化剤ガス排出開閉器７５の開放を行わないようにしてもよい。
また、本実施の形態５に係る燃料電池発電システム１００では、燃料ガス供給開閉器７１及び酸化剤ガス排出開閉器７５を設ける形態を採用したが、これに限定されない。例えば、実施の形態１における変形例１のように、燃料ガス供給開閉器７１及び酸化剤ガス排出開閉器７５を設けない形態を採用してもよい。この場合、制御器２０は、ステップＳ１０９に代えて、ステップＳ１０９Ａを実行し（図４参照）、ステップＳ１１１において、原料ガス開閉器７７を開放させ、原料ガス供給器１６を作動させる。また、制御器２０は、ステップＳ１１２において、原料ガス開閉器７７を閉止させ、原料ガス供給器１６を停止させる。
さらに、本実施の形態４に係る燃料電池発電システム１００は、実施の形態１における変形例２のように、酸化剤ガス排出開閉器７５を設けない形態を採用してもよい。この場合、制御器２０は、ステップＳ１０９に代えて、ステップＳ１０９Ｂを実行し（図６参照）、ステップＳ１１１において、原料ガス開閉器７７及び酸化剤ガス排出開閉器７５を開放させ、原料ガス供給器１６を作動させる。また、制御器２０は、ステップＳ１１２において、原料ガス開閉器７７及び酸化剤ガス排出開閉器７５を閉止させ、原料ガス供給器１６を停止させる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明の燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転停止方法は、低コスト化、かつ、エネルギーロスを小さくすることが可能となり、また、耐久性を向上させることが可能なため、燃料電池の分野で有用である。
１ 燃料ガス流路
２ 酸化剤ガス流路
１１ 燃料電池
１１Ａ 電解質膜
１１Ｂ アノード
１１Ｃ カソード
１２ 燃料生成器
１２Ａ 燃焼器
１２Ｂ 改質器
１２Ｃ 蒸発器
１３ 酸化剤ガス供給器
１４ 出力制御器
１５ 水供給器
１６ 原料ガス供給器
１７ 燃焼空気供給器
２０ 制御器
２１ リモコン
２１Ａ 表示部
２１Ｂ 操作部
４１ 配線
５１ 燃料ガス供給経路
５２ 燃料ガス排出経路
５３ 燃料ガスバイパス経路
５４ 酸化剤ガス供給経路
５５ 酸化剤ガス排出経路
５６ 水供給経路
５７ 原料ガス供給経路
５８ 燃焼空気供給経路
７１ 燃料ガス供給開閉器
７２ 燃料ガス排出開閉器
７３ 燃料ガスバイパス開閉器
７４ 酸化剤ガス供給開閉器
７５ 酸化剤ガス排出開閉器
７６ 水開閉器
７７ 原料ガス開閉器
１００ 燃料電池発電システム

Claims (17)

  1. 電解質膜と、アノードと、カソードと、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、を有し、前記アノードに供給される前記燃料ガスと、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスとを反応させて発電する高分子電解質形燃料電池と、
    原料ガス供給器から供給された原料ガスと水供給器から供給された水とを改質反応させて前記燃料ガスを生成し、該燃料ガスを燃料ガス供給経路を介して前記高分子電解質形燃料電池の前記燃料ガス流路に供給する燃料生成器と、
    前記酸化剤ガスを酸化剤ガス供給経路を介して前記高分子電解質形燃料電池の前記酸化剤ガス流路に供給する酸化剤ガス供給器と、
    前記高分子電解質形燃料電池の前記燃料ガス流路から排出された未利用の燃料ガスが通流する燃料ガス排出経路と、
    前記高分子電解質形燃料電池の前記酸化剤ガス流路から排出された未利用の酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス排出経路と、
    前記高分子電解質形燃料電池から電力を取り出して外部負荷に供給する出力制御器と、
    前記燃料ガス流路の上流側の経路、前記燃料ガス流路の下流側の経路、及び前記酸化剤ガス流路の上流側の経路のそれぞれの経路を開閉するように構成された開閉機構と、
    制御器と、を備え、
    前記制御器は、停止処理において、
    前記高分子電解質形燃料電池から取り出す電力量を低下させて、その後、前記外部負荷への電力供給を停止するように前記出力制御器を制御し、
    前記酸化剤ガス供給器からの前記酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を前記開閉機構によって閉止し、
    前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を閉止後、前記電解質膜を通じてクロスリークした燃料ガスで前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスが消費される所定の時間経過後に、前記原料ガス供給器及び前記水供給器を停止させ、
    その後、前記開閉機構により、前記燃料ガス流路の上流側の経路及び前記燃料ガス流路の下流側の経路を閉止するように構成され、
    前記外部負荷への電力供給を停止してから前記酸化剤ガスの供給停止までの時間が以下 の（式１）で示される時間Ｔである、燃料電池発電システム。
    （式１）３×Ａ／ＦＲａ≦Ｔ≦５×Ａ／ＦＲａ
    Ａ：燃料ガス供給開閉器と燃料ガス排出開閉器とで密閉される空間容積［Ｌ］
    ＦＲａ：高分子電解質形燃料電池から取り出す電力量を自立運転可能電力量と設定した 場合の燃料生成器で生成される燃料ガス流量［Ｌ／ｓ］
  2. 前記原料ガス供給器から前記燃料生成器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給経路と、
    前記原料ガス供給経路を開閉する原料ガス開閉器と、
    前記水供給器から前記燃料生成器に前記水を供給する水供給経路と、
    前記水供給経路を開閉する水開閉器と、
    前記燃料ガス排出経路を開閉する燃料ガス排出開閉器と、
    前記酸化剤ガス供給経路を開閉する酸化剤ガス供給開閉器と、を備え、
    前記開閉機構は、前記原料ガス開閉器、前記水開閉器、前記燃料ガス排出開閉器、及び前記酸化剤ガス供給開閉器から構成されている、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  3. 前記開閉機構は、前記酸化剤ガス流路の下流側の経路も開閉するように構成され、
    前記制御器は、停止処理において、
    前記高分子電解質形燃料電池から取り出す電力量を低下させて、その後、前記外部負荷への電力供給を停止するように前記出力制御器を制御し、
    前記酸化剤ガス供給器からの前記酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を前記開閉機構によって閉止し、
    前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を閉止後、前記電解質膜を通じてクロスリークした燃料ガスで前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスが消費される所定の時間経過後に、前記原料ガス供給器及び前記水供給器を停止させ、
    その後、前記開閉機構により、前記燃料ガス流路の上流側の経路、前記燃料ガス流路の下流側の経路、及び前記酸化剤ガス流路の下流側の経路を閉止するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  4. 前記原料ガス供給器から前記燃料生成器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給経路と、
    前記原料ガス供給経路を開閉する原料ガス開閉器と、
    前記水供給器から前記燃料生成器に前記水を供給する水供給経路と、
    前記水供給経路を開閉する水開閉器と、
    前記燃料ガス排出経路を開閉する燃料ガス排出開閉器と、
    前記酸化剤ガス供給経路を開閉する酸化剤ガス供給開閉器と、
    前記酸化剤ガス排出経路を閉止する酸化剤ガス排出開閉器と、を備え、
    前記開閉機構は、前記原料ガス開閉器、前記水開閉器、前記燃料ガス排出開閉器、前記酸化剤ガス供給開閉器、及び前記酸化剤ガス排出開閉器から構成されている、請求項３に記載の燃料電池発電システム。
  5. 前記燃料ガス供給経路を開閉する燃料ガス供給開閉器と、
    前記燃料ガス排出経路を開閉する燃料ガス排出開閉器と、
    前記酸化剤ガス供給経路を開閉する酸化剤ガス供給開閉器と、
    前記酸化剤ガス排出経路を開閉する酸化剤ガス排出開閉器と、を備え、
    前記開閉機構は、前記燃料ガス供給開閉器、前記燃料ガス排出開閉器、前記酸化剤ガス供給開閉器、及び前記酸化剤ガス排出開閉器から構成されている、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  6. 前記燃料生成器は、前記高分子電解質形燃料電池から排出された可燃ガスを燃焼する燃焼器を有し、
    前記燃料ガス排出経路は、前記燃料ガス流路と前記燃焼器を接続するように構成されている、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
  7. 前記制御器は、前記酸化剤ガス供給器からの前記酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、前記原料ガス供給器及び前記水供給器を停止させるように構成されている、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
  8. 前記制御器は、前記高分子電解質形燃料電池から取り出す電力量を前記高分子電解質形燃料電池が発電していた電力量より小さく、かつ、自立運転可能電力量以上の範囲の電力量に低下させるように構成されている、請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
  9. 前記燃料生成器は、前記高分子電解質形燃料電池から排出された可燃ガスを燃焼する燃焼器を有し、
    前記制御器は、停止処理において、
    前記高分子電解質形燃料電池から取り出す電力量を低下させて、その後、前記外部負荷への電力供給を停止するように前記出力制御器を制御し、
    前記酸化剤ガス供給器からの前記酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を前記開閉機構によって閉止し、
    前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を閉止後、前記電解質膜を通じてクロスリークした燃料ガスで前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスが消費される所定の時間経過後に、前記原料ガス供給器及び前記水供給器を停止させ、前記燃焼器で前記高分子電解質形燃料電池から排出された可燃ガスを燃焼させ、
    前記燃焼器が失火すると、前記開閉機構により、少なくとも前記燃料ガス流路の上流側の経路及び前記燃料ガス流路の下流側の経路を閉止するように構成されている、請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
  10. 前記燃料ガス供給経路と前記燃料ガス排出経路とを接続し、前記燃料ガスがバイパスする燃料ガスバイパス経路を備え、
    前記開閉機構は、前記燃料ガス流路の上流側の経路、前記燃料ガス流路の下流側、かつ、前記燃料ガスバイパス経路の接続部分よりも上流側の経路、前記酸化剤ガス流路の上流側の経路、及び前記燃料ガスバイパス経路のそれぞれの経路を開閉するように構成され、
    前記制御器は、停止処理において、
    前記高分子電解質形燃料電池から取り出す電力量を低下させて、その後、前記外部負荷への電力供給を停止するように前記出力制御器を制御し、
    前記酸化剤ガス供給器からの前記酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、前記開閉機構により、前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を閉止し、前記燃料ガスバイパス経路を開放し、及び前記燃料ガス流路の下流側、かつ、前記燃料ガスバイパス経路の接続部分よりも上流側の経路を閉止し、
    その後、前記電解質膜を通じてクロスリークした燃料ガスで前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスが消費される所定の時間経過後に、前記原料ガス供給器及び前記水供給器を停止させ、
    その後、前記開閉機構により、少なくとも前記燃料ガス流路の上流側の経路及び前記燃料ガスバイパス経路を閉止するように構成されている、請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
  11. 前記制御器は、
    前記開閉機構により、少なくとも前記燃料ガス流路の上流側の経路及び前記燃料ガス流路の下流側の経路を閉止後、
    前記燃料生成器内が前記原料ガスから炭素析出が生じる温度以下になると、前記開閉機構により、前記燃料ガス流路の上流側の経路を開放し、前記原料ガス供給器から前記原料ガスを前記燃料生成器を介して、前記高分子電解質形燃料電池の前記燃料ガス流路に供給する、請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
  12. 前記制御器は、前記高分子電解質形燃料電池の温度低下に伴う圧力低下に対して、前記開閉機構により、前記燃料ガス流路の上流側の経路を開放し、前記原料ガス供給器から前記原料ガスを前記燃料生成器を介して、前記燃料ガス流路に供給するように構成されている、請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
  13. 前記開閉機構が、前記酸化剤ガス流路の下流側の経路も開閉するように構成されている場合、
    前記制御器は、前記高分子電解質形燃料電池の温度低下に伴う圧力低下に対して、前記開閉機構により、前記燃料ガス流路の上流側の経路を開放し、前記原料ガス供給器から前記原料ガスを前記燃料生成器を介して、前記燃料ガス流路に供給し、かつ、前記酸化剤ガス流路の下流側の経路を開放するように構成されている、請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
  14. 前記燃料電池発電システムの停止処理において、前記燃料電池発電システムを構成する補機は、前記高分子電解質形燃料電池が発電した直流電力で作動する、請求項１〜１３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
  15. 前記出力制御器は、前記高分子電解質形燃料電池から電力を取り出して前記外部負荷及 び前記燃料電池発電システムを構成する補機に供給するように構成されており、
    前記制御器は、停止処理において、前記高分子電解質形燃料電池から取り出す電力量を 低下させて、その後、前記外部負荷への電力供給を停止するとともに、前記補機への電力 供給を停止する、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  16. 電解質膜と、アノードと、カソードと、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、を有し、前記アノードに供給される前記燃料ガスと、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスとを反応させて発電する高分子電解質形燃料電池を備える燃料電池発電システムの運転停止方法であって、
    出力制御器が、前記高分子電解質形燃料電池から取り出す電力量を低下して、その後、外部負荷への電力供給を停止するステップ（Ａ）と、
    酸化剤ガス供給器が前記酸化剤ガスの供給を停止するとともに、前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を前記開閉機構が閉止し、前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を閉止後、前記電解質膜を通じてクロスリークした燃料ガスで前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスが消費される所定の時間経過後に、原料ガス供給器及び水供給器が停止する、又は前記酸化剤ガス供給器が前記酸化剤ガスの供給を停止するとともに、前記原料ガス供給器及び前記水供給器が停止し、前記酸化剤ガス流路の上流側の経路を前記開閉機構が閉止し、前記電解質膜を通じてクロスリークした燃料ガスで前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスが消費される所定の時間経過させるステップ（Ｃ）と、
    前記ステップ（Ｃ）後、前記開閉機構が前記燃料ガス流路の上流側の経路及び前記燃料ガス流路の下流側の経路を閉止するステップ（Ｄ）と、を備え、
    前記外部負荷への電力供給を停止してから前記酸化剤ガスの供給停止までの時間が以下 の（式１）で示される時間Ｔである、燃料電池発電システムの運転方法。
    （式１）３×Ａ／ＦＲａ≦Ｔ≦５×Ａ／ＦＲａ
    Ａ：燃料ガス供給開閉器と燃料ガス排出開閉器とで密閉される空間容積［Ｌ］
    ＦＲａ：高分子電解質形燃料電池から取り出す電力量を自立運転可能電力量と設定した 場合の燃料生成器で生成される燃料ガス流量［Ｌ／ｓ］
  17. 前記出力制御器は、前記高分子電解質形燃料電池から電力を取り出して前記外部負荷及 び前記燃料電池発電システムを構成する補機に供給するように構成されており、
    前記ステップ（Ａ）で、出力制御器は、前記高分子電解質形燃料電池から取り出す電力 量を低下して、その後、前記外部負荷への電力供給を停止するとともに、前記補機への電 力供給を停止する、請求項１６に記載の燃料電池発電システムの運転方法。
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