JP5832717B2 - 燃料電池システムとこの燃料電池システムの停止方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムとこの燃料電池システムの停止方法に関する。

この種の燃料電池システムとして、固体酸化物形燃料電池システムとした名称で特許文献１に開示された構成のものがある。
特許文献１に記載された燃料電池システムは、電池セルの電解質がイオン導電性セラミックスで形成され電池セルの燃料極に供給される燃料ガスと電池セルの空気極に供給される酸素との電気化学反応により直流電力を発生する固体酸化物形燃料電池本体と、前記固体酸化物形燃料電池本体の運転中に空気を窒素と酸素とに分離し得られた酸素を前記電池セルの空気極に供給する空気分離装置と、前記空気分離装置で分離された窒素を液体窒素として貯蔵する液体窒素貯蔵タンクと、前記固体酸化物燃料電池の運転中に前記空気分離装置で分離された窒素により前記電池セルを冷却するための電池セル冷却設備と、前記固体酸化物燃料電池の運転停止時に前記液体窒素貯蔵タンクに貯蔵された窒素を前記電池セルの燃料極に供給するための燃料極窒素供給設備とを備えた構成のものである。

特開２００４−２２０９４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池システムにおいては、システムの停止時に、不活性ガスに還元性ガスを添加したガスによりパージすることにより、燃料極の酸化を防止しようとしたものであるが、空気の分離装置によって生成したＮ２を利用して、システムの停止時に燃料極に供給するようにしていたので、システムの大型化を回避できないという課題が未解決のままである。

そこで本発明は、燃料電池の発電動作を停止するとき、燃料ガスに含まれる可燃ガス成分を低減させて停止時の燃料ガスへの引火や一酸化炭素漏洩を防止し、かつ、小型化を図ることができる燃料電池システムとこの燃料電池システムの停止方法の提供を目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムは、電解質の両側に積層した空気極と燃料極とに、燃料ガスと空気とを互いに分離して流通させることによる発電を行う燃料電池を備えたものであり、燃料極を含む燃料ガスの流路区間を閉止するための遮断弁と、燃料極に向けて燃料ガスを送給するための送給ポンプと、空気極に空気を送給するための空気ブロワと、燃料電池に向けて流通する燃料ガスを改質するための燃料改質器に空気を送給するための空気送給器と、閉止された上記燃料極を含む燃料ガスの流路区間のガス濃度を取得するためのガス濃度取得部とを有し、上記燃料電池の発電動作を停止しようとするとき、上記遮断弁によって当該流路区間における燃料ガスの流通を閉止する流通区間閉止手段と、上記送給ポンプの駆動を停止させ、かつ、上記空気ブロワの駆動を継続させて発電することで上記閉止した当該流路区間内におけるガス濃度を低減させるガス濃度低減手段と、発電終了後、上記燃料改質器に向けて送給される燃料ガスに含まれる可燃ガスの上記ガス濃度取得部を用いて取得されたガス濃度に基づく空気量を上記空気送給器により送給する空気送気量増加手段とを有している。

同上の目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの停止方法は、電解質の両側に積層した空気極と燃料極とに、燃料ガスと空気とを互いに分離して流通させることによる発電を行う燃料電池を備え、燃料極を含む燃料ガスの流路区間を閉止するための遮断弁と、燃料極に向けて燃料ガスを送給するための送給ポンプと、空気極に空気を送給するための空気ブロワと、燃料電池に向けて流通する燃料ガスを改質するための燃料改質器に空気を送給するための空気送給器とを有する構成において、上記燃料電池の発電動作を停止しようとするとき、上記遮断弁によって当該流路区間における燃料ガスの流通を閉止し、上記送給ポンプの駆動を停止させ、かつ、上記空気ブロワの駆動を継続させて発電することで上記閉止した当該流路区間内におけるガス濃度を低減させ、発電終了後、上記燃料改質器に向けて送給される燃料ガスに含まれる可燃ガスの上記閉止した燃料極を含む燃料ガスの流路区間のガス濃度を取得するためのガス濃度取得部を用いて取得されたガス濃度に基づく空気量を上記空気送給器により送給する。

本発明によれば、小型化を図るとともに燃料ガスに含まれる可燃ガス成分を低減させて、停止時の燃料ガスへの引火や一酸化炭素漏洩を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを適用した発電ユニットの構成を示すブロック図である。 同上の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 同上の燃料電池システムの一部をなすコントロールユニットの機能を示すブロック図である。 発電停止指令が入力されたときのフローチャートである。 循環路の雰囲気制御のフローチャートである。 水凝縮の制御内容を示すフローチャートである。 （Ａ）は、上記した水凝縮器に代えて、水吸着剤を有する水吸着器を配設した構成を示すものであり、図２に包囲線αで示す部分に相当する拡大図、（Ｂ）は、上記した水凝縮器に代えて、水透過膜を備えた水透過器を配設した構成を示すものであり、図２に包囲線αで示す部分に相当する拡大図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを適用した発電装置の構成を示すブロック図、図２は、同上の燃料電池システムの構成を示すブロック図、図３は、その燃料電池システムの一部をなすコントロールユニットの機能を示すブロック図である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを適用した発電装置Ｂは、図１に示すモータ等の外部負荷１０に電力を供給するものであり、その構成は次のとおりである。
すなわち、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムＡ１とともに、第一〜第三のリレー２０Ａ〜２０Ｃ、電圧計２３、電流計２４、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５、バッテリ２６、インバータ２７及びコントロールユニット２８等を有して構成されている。

まず、燃料電池システムＡ１は、燃料電池３０、送給ポンプである燃料ポンプ３１、燃料ポンプ３２、３３、燃料蒸発器３４、スタック加熱熱交換器３５、循環ブロワ３６、分岐バルブ３７，５３、ミキサ３８、燃料改質器３９、改質器加熱熱交換器４０、燃焼器４１，４２、カソード空気加熱器４３、空気ブロワ４４〜４６，４７、遮断弁４８，４９、水凝縮器５０、ガス濃度センサＳ１，Ｓ２及び第一，第二の温度センサＳ４，Ｓ３等を有して構成されている。

燃料電池３０は、複数のセルユニット５１…を互いに積層した単一のセルスタックをケース（いずれも図示しない）内に収容したものである。なお、図２には、説明を簡略化するために一つのセルユニット５１のみを示している。
なお、セルスタックには、これの温度を測定するための上記第二の温度センサＳ３（図３に示す）を配設している。

セルユニット５１は、燃料極５２ａと空気極５２ｂとを電解質５２ｃの両側に対設した固体電解質型セル５２…を備えたものであり、その燃料極５２ａと空気極５２ｂとに、燃料ガスと空気を互いに分離して流接させることによる発電を行うものである。

送給ポンプ３１は、燃料電池３０の発電に必要な燃料を燃料蒸発器３４に送給するものであり、この送給ポンプ３１と燃料蒸発器３４との間には送給パイプ３１ａが連結されている。
また、送給ポンプ３１は、コントロールユニット（以下、「Ｃ／Ｕ」という。）２８の出力ポート側に接続されて適宜駆動されるようになっている。

燃料蒸発器３４は、送給ポンプ３１によって送給された燃料を蒸気化するものであり、この燃料蒸発器３４とミキサ３８との間には送給パイプ３４ａが接続されている。
ミキサ３８は、燃料蒸発器３４、分岐バルブ３７及び空気ブロワ４７から送給される、原燃料、排燃料ガス又は空気を選択的に切り替える機能を有するものであり、燃料改質器３９との間、空気ブロワ４７との間、分岐バルブ３７との間に、それぞれ送給パイプ３８ａ，４７ａ，３７ａが連結されている。
「空気ブロワ４７」は、燃料極５２ａに空気を送給するための空気送給器である。

遮断弁４８は送給パイプ４７ａに配設されており、空気ブロワ４７とミキサ３８とを遮断するものであり、Ｃ／Ｕ２８の出力ポート側に接続されて適宜駆動されるようになっている。

燃料改質器３９は、蒸気化された原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質するものであり、これと燃料電池３０との間に送給パイプ３９ａが接続されており、その燃料ガスを燃料極５２ａに送給するようにしている。
なお、本実施形態において示す燃料改質器３９は、ＣＯシフト反応機能を有するものである。

ガス濃度センサＳ１，Ｓ２は、閉止した燃料極５２ａを含む燃料ガスの流路区間のガス濃度を測定するためのものであり、それらのうちガス濃度センサＳ１は、送給パイプ３９ａを流通する燃料ガスの一酸化炭素、また、ガス濃度センサＳ２は当該燃料ガスの水素の各濃度をそれぞれ測定するためのものである。
送給パイプ３９ａの途中には分岐バルブ５３が配設されており、水凝縮器５０との間に分岐パイプ５３ａが連結されている。

この分岐バルブ５３も、Ｃ／Ｕ２８の出力ポート側に接続されて適宜駆動されるようになっている。
すなわち、燃料改質器３９から送出された改質した燃料ガスを、燃料極５２ａ又は水凝縮器５０に切り替えて流通させるようにしている。
水凝縮器５０は、燃料改質器３９から送出された改質した燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮する機能を有するものである。

上記した燃料極５２ａと上記した分岐バルブ３７との間には送給パイプ５２ｅが連結されており、その送給パイプ５２ｅの途中に、その燃料極５２ａから排出された排燃料ガスを循環させるための循環ブロワ３６が配設されている。

送給パイプ５２ｅ，３７ａ，３８ａは、燃料極５２ａから排出された排燃料ガスを燃料改質器３９に返戻するための返戻流路である。
なお、循環ブロワ３６も、Ｃ／Ｕ２８の出力ポート側に接続されて適宜駆動されるようになっている。

ところで、空気ブロワ４４は、空気極５２ｂに空気を送給するための空気送給器である。 すなわち、燃料電池３０の発電に必要な空気をカソード空気加熱器４３に送給するようにしており、その空気ブロワ４４とカソード空気加熱器４３との間には送給パイプ４４ａが連結されている。
また、空気ブロワ４４も、Ｃ／Ｕ２８の出力ポート側に接続されて適宜駆動されるようになっている。

カソード空気加熱器４６は、空気極５２ｂに送給する空気を加熱するものであり、このカソード空気加熱器４６と空気極５２ｂとの間に送給パイプ４３ａが連結されている。
また、空気極５２ａと上記した燃料蒸発器３４との間には送給パイプ５２ｄが連結されており、その空気極５２ａから排出された排空気を燃料蒸発器３４に送出して、送給ポンプ３１から送給される燃料ガスとの熱交換を行えるようにしている。

燃焼器４１は、燃料ポンプ３２と空気ブロワ４５とにより送給された燃料と空気とを燃焼させるものであり、この燃焼器４１とスタック加熱熱交換器３５との間には送給パイプ４１ａが連結されている。

スタック加熱熱交換器３５は、セルスタック（図示しない）に密接して配置されており、上記した燃焼器４１から送出された加熱ガスによってセルスタックを加熱するためのものである。

また、スタック加熱熱交換器３５と上記したカソード空気加熱器４３との間には送給パイプ３５ａが連結されており、そのスタック加熱熱交換器３５から排出された加熱ガスをカソード空気加熱器４３に送給して、空気極５２ｂに送給される空気との熱交換を行えるようにしている。

燃焼器４２は、燃料ポンプ３３と空気ブロワ４６とにより送給された燃料と空気とを燃焼させるものであり、この燃焼器４２と上記した分岐バルブ３７との間には送給パイプ４２ａが連結されている。
また、その送給パイプ４２ａの途中には遮断弁４９が配設されている。
上記した燃料ポンプ３２，３３、空気ブロワ４５，４６及び遮断弁４９も、Ｃ／Ｕ２８の出力ポート側に接続されて適宜駆動されるようになっている。

上記した遮断弁４８，４９は、燃料極５２ａを含む燃料ガスの流路における燃料ガスの流通を遮断するためのものである。
本実施形態において示す「燃料ガスの流路」は、送給パイプ３８ａ，３９ａ，５２ｅ，３７ａにより構成されている。

改質器加熱熱交換器４０は、燃料改質器３９に密接して配置され、これと燃焼器４２との間に送給パイプ４２ａが接続されており、燃料極５２ａから排出されて燃焼器４２によって加熱された排出ガスと、燃料改質器４０により改質された燃料ガスとの間において熱交換を行うようにしたものである。

図１に示すバッテリ２６は、燃料電池３０の燃料極５２ａを還元するための還元用の電力を送給し、また、下記のインバータ２７を介して外部負荷１０に対して駆動用の電力を送給するようになっている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、インバータ２７又は燃料電池３０向けに電圧変換を行うためのものである。
インバータ２７は、燃料電池３０から出力された直流電力を交流に変換し、また、バッテリ２６から送給された直流電力を交流に変換して外部負荷１０に給電するためのものである。

第一のリレー２０Ａは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５と燃料電池３０との間、第二のリレー２０Ｂは、上記バッテリ２６とインバータ２７との間、また、第三のリレー２０Ｃは、上記インバータ２７と燃料電池３０の間にそれぞれ介設されており、いずれもＣ／Ｕ２８の出力ポート側に接続されて断接動作するようになっている。

燃料電池３０の出力端子３０ａ，３０ｂの一方には、その燃料電池３０の出力電流を測定するための上記した電流計２４を、また、出力端子３０ａ，３０ｂ間には当該出力電圧を測定するための電圧計２３をそれぞれ配設している。
上記の電流計２３と電圧計２４は、Ｃ／Ｕ２８の入力ポート側に接続されて、各取得した測定値が入力されるようになっている。

Ｃ／Ｕ２８は、図３に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路等（いずれも図示しない）からなる中央制御部６０と、ハードディスク，半導体メモリ等からなるメモリ６１とを有するものである。

メモリ６１に記憶されている本燃料電池システムＡ１及び発電装置Ｂに用いるプログラムの実行により、Ｃ／Ｕ２８は、従ってまた、中央制御部６０は以下の各機能を発揮する。
・燃料電池３０の発電動作を停止するとき、燃料ガスの流路における最も低い温度を示す部位における温度が、水凝縮温度以上であるか否かを判定する機能。この機能を「最低温度判定手段６０ａ」という。

本実施形態において示す「燃料ガスの流路における最も低い温度を示す部位」は、燃料改質器３９の排出直後の位置であり、具体的には分岐バルブ５３に配設した第一の温度センサＳ４によって温度測定を行っている。
すなわち、本実施形態においては、第一の温度センサＳ４が燃料ガスの流路における最も低い温度を示す部位における温度を取得するための第一の温度取得部である。

なお、本実施形態においては温度取得部として、燃料電池３０、燃料流路の温度を把握するために第一，第二の温度センサＳ４，Ｓ３を配設した構成を例として説明したが、この他、例えば運転状態や停止時間に対応して予め計測した各部位の温度マップをメモリ６１に記憶しておき、その各部位の温度マップを適宜参照することによる温度を取得するようにしてもよい。

・最低温度判定手段６０ａにより、第一の温度センサＳ４によって測定した温度が水凝縮温度以上であると判定したときには、燃料極５２ａを含む燃料ガスの流路区間における燃料ガスの流通を閉止する機能。この機能を「流通区間閉止手段６０ｂ」という。
「燃料極５２ａを含む燃料ガスの流路区間」は、上記したように送給パイプ３８ａ，３９ａ，５２ｅ，３７ａにより構成されており、その経路中に燃料極５２ａが含まれている。
本実施形態においては、遮断弁４８，４９によって当該流路区間を閉止しているとともに、循環ブロワ３６を停止するようにしているが、少なくとも遮断弁４８を閉じるとともに循環ブロワ３６を停止すればよい。
遮断弁４８，４９は、燃料極５２ａを含む燃料ガスの流路における燃料ガスの流通を遮断するためのものである。

・上記閉止した当該流路区間内におけるガス濃度を低減させる機能。この機能を「ガス濃度低減手段６０ｃ」という。
ガス濃度センサＳ１，Ｓ２によって測定したガス濃度に基づき、上記閉止した燃料極５２ａを含む燃料ガスの流路区間内におけるガス濃度が所定の濃度範囲となるように低減させている。
具体的には、上記流路区間におけるガス濃度を低減させて、水素量を例えば１〜４％程度の所定の濃度範囲になるようにしている。
すなわち、本実施形態においては、閉止した燃料極を含む燃料ガスの流路区間のガス濃度を取得するためのガス濃度取得部がガス濃度センサＳ１，Ｓ２である。

具体的には、燃料極５２ａへの燃料ガスの送給を停止し、かつ、空気ブロワ４４を駆動して空気極５２ｂへの空気の送給を継続させている。
なお、本実施形態に示すガス濃度取得部は、可燃ガス濃度をガス濃度センサによって測定しているが、運転状態や停止時間に対応して予め測定した各部位の可燃ガス量マップをメモリ６１に記憶しておき、それら各部位の可燃ガス量マップを参照することによりガス濃度を取得するようにしてもよい。
また、燃料電池で発電した電流量に基づいて、可燃ガス量を推定する機能を設けてもよい。すなわち、可燃ガス量推定手段を設けた構成にしてもよい。

・第一の温度センサＳ４によって測定した温度が、水凝縮温度以上であるか否かを判定されたときには、上記閉止した燃料極５２ａを含む燃料ガスの流路区間における水蒸気量を外気温飽和水蒸気圧以下になるまで除去する機能。この機能を「水蒸気除去手段６０ｄ」という。
本実施形態においては、水凝縮器５０によって閉止した燃料極５２ａを含む燃料ガスの流路区間における水蒸気量を外気温飽和水蒸気圧以下になるまで除去させている。
敷衍すると、分岐バルブ５３を水凝縮器５０に切り替えることによって、その水凝縮器５０によって燃料ガスの流路における水蒸気量を外気温飽和水蒸気圧以下になるまで除去させている。

・第二の温度センサＳ３で測定した燃料電池３０の温度が、この燃料電池３０の動作温度以上であるか否かを判定する機能。この機能を「電池温度判定手段６０ｅ」という。
燃料電池３０の温度は、セルスタック（図示しない）に配設した第二の温度センサＳ３により取得している。

・第二の温度センサＳ３で測定した燃料電池３０の温度が、この燃料電池３０の動作温度以上であると判定したときには、電池加熱装置によって燃料電池３０を加熱させる機能。この機能を「電池加熱手段６０ｆ」という。
本実施形態においては、電池加熱装置をスタック加熱熱交換器３５と燃焼器４１により構成しているが、これに限るものではない。

・電池温度判定手段６０ｅにより、第二の温度センサＳ３で測定した燃料電池３０の温度が、この燃料電池３０の動作温度以上であると判定したときには、燃料電池３０にバッテリ２６を接続させて水の電気分解を行わせることにより水素量を増加させる機能。この機能を「水素量調整手段６０ｇ」という。

・燃料ガスの流路における最も低い温度を示す部位における温度が、水凝縮温度以上であると判定されたときには、空気ブロワ（空気送給器）４７によって燃料極５２ａに空気を送給する機能。この機能を「燃料極空気送給手段６０ｈ」という。

・燃料電池３０の温度が、これの動作温度以上であると判定したときには、燃料改質器３９に燃料ガスを送給する機能。この機能を「燃料ガス送給手段６０ｉ」という。

・電池温度判定手段６０ｅによって、燃料電池３０の温度が、これの動作温度以上であると判定したときには、空気ブロワ（空気送給器）４４による空気の送給量を低減させる機能。この機能を「空気送気量低減手段６０ｊ」という。

・燃料改質器３９のＯ_２／Ｃの値を大きくするように、空気ブロワ（空気送給器）４７により送給する空気量を増加させる機能。この機能を「空気送気量増加手段６０ｋ」という。
具体的には、燃料改質器３９に向けて送給される燃料ガスに含まれる可燃ガスの残量に応じた空気量を送給している。

・最低温度判定手段６０ａにより、燃料ガスの流路における最も低い温度を示す部位における温度が水凝縮温度以上であると判定したときには、循環ブロワ（返戻送給器）３６によって燃料極５２ａから排出された排燃料ガスを燃料改質器３９に返戻させる機能。この機能を「排燃料ガス返戻手段６０ｌ」という。

燃料電池システムＡ１の停止方法について、図４〜６を参照して説明する。図４は、発電停止指令が入力されたときのフローチャート、図５は、循環路の雰囲気制御のフローチャート、図６は、水凝縮の制御内容を示すフローチャートである。

まず、燃料電池システムＡ１の停止方法は、燃料電池３０の動作を停止するとき、燃料ガスの流路における最も低い温度を示す部位における温度が、水凝縮温度以上であるか否かを判定し、燃料ガスの流路における最も低い温度を示す部位における温度が水凝縮温度以上であると判定したときには、燃料ガスの流路におけるガス濃度を低減させることを主たる内容としており、その詳細は次のとおりである。

ステップ１（図中「Ｓ１」と略記する。以下同様。）：外部からの指示に応じて燃料電池システムＡ１の停止制御を実施する。
ステップ２：先ず可燃ガス量の低減制御を実施する。

ステップ３：すなわち、遮断弁４８，４９閉じて新規の燃料ガスと排燃料ガスとをそれぞれ遮断するとともに、送給ポンプ３１を停止することにより、燃料極５２ａに流出入する新規の燃料ガスと排燃料ガスとを遮断する。
すなわち、燃料ガスの流路におけるガス濃度を低減させている。

ステップ４：空気極５２ｂへの空気の送給を継続して、発電を継続する。また、リレー２０Ｃを切断して、外部負荷１０を切り離すとともに、リレー２０Ａを接続することによりバッテリ２６への充電を開始する。

ステップ５：必要に応じて燃料除去効率を向上させる。
具体的は、電流計２４で取得した電流値が、予め設定した閾値以下であるか否かを判定し、当該電流値が予め設定した閾値以下であると判定した場合にはステップ８に進み、そうでない場合には、ステップ６に進む。

ステップ６：燃料除去運転（発電運転）の終了判断を行う。
すなわち、セルスタック内部に設置した第二の温度センサＳ３で取得した温度が、予め設定した運転温度以上であるか否かを判定し、当該温度以上であればステップ７に進み、そうでなければステップ４に戻る。

このとき、同時に可燃物の反応量を判断できる。例えば、前記電流計２４の値から読み取った電荷量から、予め調べた停止直後の可燃物量と、計測した反応量の差異を求めることにより、残存可燃物量を推算することができる。
また、流路に設置されたガス濃度センサＳ２で取得した水素濃度とガス濃度センサＳ１で取得した数値から判断することも可能である。

ステップ７：発電を終了する。リレー２０Ａを開放し、燃料電池３０を開回路状態にする。
ステップ８：除去率向上が必要な場合の制御を開始する。
具体的には、セルスタック温度を上昇させることにより、可燃ガスの消費効率を向上させる。セルスタックの温度の上昇は、例えば、空気極５２ｂへの導入空気量を低減し、空気極５２ｂから排出されたガスの伝熱量を低減することにより実現できる。

また、燃料ポンプ３２と空気ポンプ４５を一時的に動作させることにより、セルスタックを加熱するスタック加熱熱交換器３５に高温ガスを導入し、燃料電池３０の動作温度を上昇させるようにしてもよい。

さらに、遮断弁４８，４９一時的に開放して空気を導入し、燃料改質器３９のＯ２／Ｃを上昇させることにより、その燃料改質器３９の排出側と空気極５２ｂの温度を上昇させることもできる。
万一、酸素導入量が過剰となってＨ_２濃度が低下した場合は、バッテリ２６を用いてＨ_２Ｏの還元を行い、Ｈ_２量を増加させる制御を行うとよい。

ステップ９：前記電流計２４で取得した電流値から読み取った電荷量から、反応した可燃物の濃度を算出する。

ステップ１０：予め調べた停止直後の可燃物量と、ステップ９で計測した反応量の差異から、残存可燃物量を推算する。
換言すると、運転停止直後の可燃物量と反応量とに基づいて、残存可燃物量を算出する。
算出した残存可燃物量が所定の範囲内であるか否かを判定し、ここで残存可燃物量が所定の範囲内であると判定されればステップ１１に進み、そうでなければステップ８に戻る。

ステップ１１：発電を終了する。
リレー２０Ａを開放することにより燃料電池３０を開回路状態にし、ステップ１２に進む。
ステップ１２：循環路雰囲気操作制御へ移行する。

以下、図５を参照して説明する。
ステップ１３：循環路雰囲気操作制御を実行する。
ステップ１４：送給パイプ３９ａに設置したガス濃度センサＳ２によって水素濃度を検知する。
ステップ１５：目標となる水素量を計算する。
本実施形態においては、燃料極５２ａ中の酸化成分はＨ_２Ｏである。この時、Ｈ_２／Ｈ_２Ｏの比率が一定値以下になると、燃料極成分の酸化反応が進行する。
使用している電極でのＨ_２／Ｈ_２Ｏの下限値は、以下の通り計算する。
すなわち、Ｈ_２Ｏの濃度は、ステップ２０からの制御で、飽和水蒸気圧以下となる。
今回の制御は、停止温度１５℃、運転圧力０．１１ＭＰａで実施したため、Ｈ_２Ｏ濃度は、１．７ｖｏｌ％以下となる。
今回用いた電極では、Ｈ_２／Ｈ_２Ｏ＝１／７５とした。従って、水素濃度下限値は、２３３ｐｐｍとなる。また、上限値は、水素漏洩時の引火の観点から、Ｈ_２濃度計の数値として４％と設定した。

ステップ１６：ステップ１４で検知したＨ_２濃度に対し、実際のＨ_２濃度がステップ１５で計算した濃度範囲となるように、空気を導入する。この時想定する反応は、２Ｈ_２＋Ｏ_２→Ｈ_２Ｏとなる。
なお、Ｈ_２濃度が４％あれば、Ｈ_２／Ｈ_２Ｏ比が１／７５以下になることはない。また、水素の酸化反応は、改質触媒上で進行する。

ステップ１７：水素の酸化反応が進行するか否かを判断する。今回の触媒では、１２０℃である。
ステップ１８：水凝縮温度であるか否かを判定する。
本実施形態においては、最も温度が低くなる燃料改質器３９の排出側に設けた分岐バルブ３７に取り付けた温度センサＳ４の温度での飽和水蒸気圧が、燃料電池３０の作動圧力とが等しくなる温度を閾値とした。今回の場合、約１０３℃である。

ステップ１９：水凝縮制御へ移行する。
ステップ２０：水凝縮制御を実行する。
ステップ２１：燃料電池システムＡ１中で最も温度が高いセルスタック内部に設置した温度センサＳ３で取得した温度を参照する。
なお、予め計測したセルスタックの高温プロファイルで代用することもできる。

ステップ２２：水凝縮器５０の上流側の分岐バルブ５３を開いて、その水凝縮器５０に循環流路中のガスを導入する。
ステップ２３：ステップ２１において取得した温度が外気温になったか否かを判定し、当該温度が外気温になったと判定されればステップ２４に進み、そうでなければステップ２１に戻る。
ステップ２４：燃料電池システムＡ１の動作を停止する。

上記した一実施形態に係る発電ユニットＢによれば、次の効果を得ることができる。
・遮断した燃料流路中の可燃ガスを低減することで、停止時の燃料への引火や、一酸化炭素中毒を防止することができる。
・水素量を所定値に制御することで、停止時の燃料極の酸化を防止し、長期停止時の酸化による電極劣化や構造破壊を回避できる。
・燃料流路中の水蒸気量を飽和水蒸気量以下に低減することで、水の凝縮と、これによる燃料極の酸化を回避することができる。

・高温部位では実質的に密閉性の高いバルブ等の設計が困難であるが、遮断弁４８，４９を上記した比較的部品温度が低い部位に配設していることにより、燃料ガスを容易に封止することができる。

・第一の温度センサＳ４によって測定した温度が、水凝縮温度以上であるか否かを判定されたときには、上記閉止した燃料極５２ａを含む燃料ガスの流路区間における水蒸気量を外気温飽和水蒸気圧以下になるまで除去する水蒸気除去手段６０ｄを設けたことにより、発電停止後の放熱により、燃料電池システムＡ１の温度が低下する。このとき燃料ガス中の水蒸気が凝縮する。この水凝縮を、水凝縮器５０で優先的に進行させる。
これにより、燃料電池の動作温度付近の高温において、燃料ガスを水凝縮器５０に導入することがないので、この部分での放熱損失を防止し、また、水凝縮器５０の熱劣化を防止することができる。
燃料流路中の水蒸気量の燃料流路中での凝縮、特に燃料極中での凝縮を防止でき、これにより燃料極の酸化を回避することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
上述した実施形態においては、水凝縮器によって燃料ガスの流路における水蒸気量を外気温飽和水蒸気圧以下になるまで除去する例について説明したが、図７（Ａ），（Ｂ）に示すような構成にしてもよい。
図７（Ａ）は、上記した水凝縮器に代えて、水吸着剤を有する水吸着器を配設した構成を示すものであり、図２に包囲線αで示す部分に相当する拡大図、（Ｂ）は、上記した水凝縮器に代えて、水透過膜を備えた水透過器を配設した構成を示すものであり、図２に包囲線αで示す部分に相当する拡大図である。

図７（Ａ）には、上記した水凝縮器５０に代えて、水吸着剤５５ａを有する水吸着器５５を配設した構成を示している。
水吸着器５５の水吸着剤５５ａには、次回の燃料電池システムの起動時に、所要の時間だけ燃料ガスを流通させ、また、その燃料電池システムを停止させたときに、吸着させていた水分を蒸発させるようにしたものである。
水吸着剤としては、例えば、シリカゲルなどの多孔材を用いることができる。

図７（Ｂ）には、上記水凝縮器５０に代えて、水透過膜５６ａを備えた水透過器５６を配設した構成を示している。
水透過器５６には、水透過膜５６ａを挟む一側に分岐バルブ５３が配設され、また、他側に空気ブロワ５７が配設されている。
そして、分岐バルブ５３の切り替えと同時に、空気ブロワ５７を駆動することにより、透過した水分を経路外に放出するようにしている。

２６ バッテリ
３０ 燃料電池
３１ 送給ポンプ
３５，４１ 電池加熱装置
３６ 返戻送給器
３７ａ，３８ａ，５２ｅ 返戻流路
３８ａ，３９ａ，５２ｅ，３７ａ 燃料ガスの流路区間
３９ 燃料改質器
４４ 空気送給器（空気ブロワ）
４７ 空気送給器（空気ブロワ）
４８，４９ 遮断弁
５０ 水凝縮器
５２ｃ 電解質
５２ｂ 空気極
５２ａ 燃料極
５３ 分岐バルブ
５５ 水吸着器
５６ 水透過器
６０ａ 最低温度判定手段
６０ｂ 流通区間閉止手段
６０ｃ ガス濃度低減手段
６０ｄ 水蒸気除去手段
６０ｅ 電池温度判定手段
６０ｆ 電池加熱手段
６０ｇ 水素量調整手段
６０ｈ 燃料極空気送給手段
６０ｉ 燃料ガス送給手段
６０ｊ 空気送気量低減手段
６０ｋ 空気送気量増加手段
６０ｌ 排燃料ガス返戻手段
Ｓ１，Ｓ２ ガス濃度センサ（ガス濃度取得部）
Ｓ３ 第二の温度センサ
Ｓ４ 第一の温度センサ（第一の温度取得部）

Claims (16)

1. 電解質の両側に積層した空気極と燃料極とに、燃料ガスと空気とを互いに分離して流通させることによる発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   燃料極を含む燃料ガスの流路区間を閉止するための遮断弁と、
   燃料極に向けて燃料ガスを送給するための送給ポンプと、
   空気極に空気を送給するための空気ブロワと、
   燃料電池に向けて流通する燃料ガスを改質するための燃料改質器に空気を送給するための空気送給器と、
   閉止された上記燃料極を含む燃料ガスの流路区間のガス濃度を取得するためのガス濃度取得部とを有し、
   上記燃料電池の発電動作を停止しようとするとき、
   上記遮断弁によって当該流路区間における燃料ガスの流通を閉止する流通区間閉止手段と、
   上記送給ポンプの駆動を停止させ、かつ、上記空気ブロワの駆動を継続させて発電することで上記閉止した当該流路区間内におけるガス濃度を低減させるガス濃度低減手段と、
   発電終了後、上記燃料改質器に向けて送給される燃料ガスに含まれる可燃ガスの上記ガス濃度取得部を用いて取得されたガス濃度に基づく空気量を上記空気送給器により送給する空気送気量増加手段とを有する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 上記ガス濃度低減手段は、上記ガス濃度取得部によって取得したガス濃度に基づき、上記閉止した燃料極を含む燃料ガスの流路区間内におけるガス濃度が所定の濃度範囲となるように低減させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 燃料ガスの流路における最も低い温度を示す部位における温度を取得するための第一の温度取得部と、
   上記第一の温度取得部によって取得した温度が、水凝縮温度以上であるか否かを判定する最低温度判定手段と、
   燃料ガスの流路中に、燃料電池に向けて流通する燃料ガスを改質するための燃料改質器が配設されており、その排出側の流路に配設された第一の温度取得部によって取得した温度が、水凝縮温度未満であると判定されたときには、上記閉止した燃料極を含む燃料ガスの流路区間における水蒸気量を外気温飽和水蒸気圧以下になるまで除去する水蒸気除去手段とを有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 燃料ガスの流路中に、燃料電池に向けて流通する燃料ガスを改質するための燃料改質器が配設されているとともに、上記第一の温度取得部が第一の温度センサであり、
   その燃料改質器の排出側の流路に、上記第一の温度センサを配設していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 燃料電池を加熱するための電池加熱装置と、燃料電池の温度を取得するための第二の温度取得部とを有しており、
   上記燃料電池の発電動作を停止しようとするとき、
   第二の温度取得部で取得した燃料電池の温度が、この燃料電池が動作する温度の下限値以上であるか否かを判定する電池温度判定手段と、
   第二の温度取得部で取得した燃料電池の温度が、この燃料電池が動作する温度の下限値以上であると判定したときには、電池加熱装置によって燃料電池を加熱させる電池加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池システム。
6. 燃料電池に接断可能なバッテリを有しており、
   上記燃料電池の発電動作を停止しようとするとき、
   電池温度判定手段により、第二の温度取得部で取得した燃料電池の温度が、この燃料電池が動作する温度の下限値以上であると判定したときには、燃料電池にバッテリを接続させて水の電気分解を行わせることにより水素量を増加させる水素量調整手段を設けたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 上記空気送気量増加手段が、上記燃料改質器に向けて送給される燃料ガスに含まれる可燃ガスの残量に応じた空気量を上記空気送給器により送給した後、
   燃料ガスの流路における最も低い温度を示す部位における温度が、水凝縮温度以上であると判定されたときには、上記空気送給器によって燃料極に空気を送給する燃料極空気送給手段を設けたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
8. 上記燃料改質器がＣＯシフト反応機能を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池システム。
9. 燃料極から排出された排燃料ガスを燃料改質器に返戻するための返戻流路が配設されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池システム。
10. 上記燃料電池の発電動作を停止しようとするとき、
    電池温度判定手段により、燃料電池の温度が、この燃料電池が動作する温度の下限値以上であると判定したときには、上記空気ブロワによる空気の送給量を低減させる空気送気量低減手段を設けたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
11. 燃料極から排出された排燃料ガスを燃料改質器に返戻するための返戻流路が配設されているとともに、その返戻流路に、これを通じて排燃料ガスを燃料改質器に返戻送給するための返戻送給器を配設しており、
    最低温度判定手段により、燃料ガスの流路における最も低い温度を示す部位における温度が水凝縮温度以上であると判定したときには、返戻送給器によって燃料極から排出された排燃料ガスを燃料改質器に返戻させる排燃料ガス返戻手段を設けたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
12. 水凝縮器が配設されており、
    上記閉止した燃料極を含む燃料ガスの流路区間における水蒸気量を外気温飽和水蒸気圧以下になるまで除去する水蒸気除去手段を有し、
    燃料ガスの流路における最も低い温度を示す部位における温度が、水凝縮温度以下であると判定したときには、
    水蒸気除去手段は、水凝縮器によって上記燃料ガスの流路における水蒸気量を外気温飽和水蒸気圧以下になるまで除去させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
13. 燃料改質器の排出側流路に、燃料電池に向かう燃料ガスを水凝縮器に向けて流通するように分岐するための分岐バルブを配設しており、
    上記閉止した燃料極を含む燃料ガスの流路区間における水蒸気量を外気温飽和水蒸気圧以下になるまで除去する水蒸気除去手段を有し、
    水蒸気除去手段は、分岐バルブを水凝縮器に切り替えることによって、その水凝縮器によって上記燃料ガスの流路における水蒸気量を外気温飽和水蒸気圧以下になるまで除去させることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 水凝縮器に代えて、水吸着剤を有する水吸着器を配設したことを請求項１２又は１３に記載の燃料電池システム。
15. 水凝縮器に代えて、水透過膜を備えた水透過器を配設したことを請求項１２又は１３に記載の燃料電池システム。
16. 電解質の両側に積層した空気極と燃料極とに、燃料ガスと空気とを互いに分離して流通させることによる発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムの停止方法であって、燃料極を含む燃料ガスの流路区間を閉止するための遮断弁と、燃料極に向けて燃料ガスを送給するための送給ポンプと、空気極に空気を送給するための空気ブロワと、燃料電池に向けて流通する燃料ガスを改質するための燃料改質器に空気を送給するための空気送給器とを有し、上記燃料電池の発電動作を停止しようとするとき、上記遮断弁によって当該流路区間における燃料ガスの流通を閉止し、上記送給ポンプの駆動を停止させ、かつ、上記空気ブロワの駆動を継続させて発電することで上記閉止した当該流路区間内におけるガス濃度を低減させ、発電終了後、上記燃料改質器に向けて送給される燃料ガスに含まれる可燃ガスの上記閉止した燃料極を含む燃料ガスの流路区間のガス濃度を取得するためのガス濃度取得部を用いて取得されたガス濃度に基づく空気量を上記空気送給器により送給する
    ことを特徴とする燃料電池システムの停止方法。

Images