JP5861866B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに係り、より詳細には、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）を備えた燃料電池システムに関する。

ＳＯＦＣの応用として、ＳＯＦＣと内燃機関とを備えた複合発電設備が提案されている。この複合発電設備においては、ＳＯＦＣのオフガスを内燃機関の燃料の一部として利用し、さらに、その内燃機関の排気ガスを改質器及びＳＯＦＣへ導き、改質器及びＳＯＦＣを予加熱する。この予加熱の制御を工夫して起動時の早期の発電開始を可能としたものも提案されている（例えば特許文献１参照）。

ところで、このような燃料電池システムにおいて、ＳＯＦＣは燃料極（アノード）と空気極（カソード）を有しており、ＳＯＦＣの燃料極には一般的にニッケル（Ｎｉ）などの触媒が用いられている。この燃料極と空気極は隔壁や電解質膜で相互間ガス移動が生じないように仕切られているが、起動・停止が繰り返されることによって、これらの隔壁や電解質膜に小さな割れ目やピンホールが生じることがある。そしてシステムが停止する際に、高温環境下（一般に３００℃以上とされている）でこのようなピンホールなどを通ってＳＯＦＣの空気極側から燃料極側へと酸素が進入することによって、ニッケルが酸化されて酸化ニッケルが生成されることがある。ニッケルが酸化されると、その体積が膨張する。一方、システムを起動して、定常運転状態になると、酸化ニッケルは燃料の水素と反応して還元され、金属ニッケルとなり収縮する。ＳＯＦＣの電極としてセラミック電極を用いた場合、このような膨張と収縮が繰り返されることにより、燃料極に剥離や割れが生じるおそれがある。燃料極が過度に破損すると、最終的には燃料電池システムの運転が不可能となってしまう。

上述したニッケルの酸化還元によって電極の剥離や割れといった破損が生じることについて、従来はニッケルの酸化が生じても割れを抑制可能な燃料極を製造しようとしていた（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。

特開２０１１−１５９５８５号公報 特開２０１０−２５７８５１号公報 国際公開第２００９／０６０７５２号

ＳＯＦＣには上述したような触媒に用いられているニッケルの酸化還元反応による電極の破損といった問題がある。その対策として燃料極の新たな製造方法、すなわち材料からのアプローチが提案されているが、燃料電池システムとして、燃料極の破損をいかに防ぐかについて検討は進んでいなかった。

そこで、本発明はこのようなＳＯＦＣの電極の破損を防ぐことが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料が供給される燃料極及び空気が供給される空気極を有する固体酸化物型燃料電池と、固体酸化物型燃料電池の燃料極へ燃料を供給する燃料通路と、固体酸化物型燃料電池の空気極へ空気を供給する空気通路と、固体酸化物型燃料電池内の空気通路の圧力を制御する圧力制御手段とを有し、圧力制御手段は、固体酸化物型燃料電池内の空気通路を封止する空気通路封止手段であって、この空気通路封止手段が空気通路を封止した後、燃料極への燃料の供給による発電を継続することで、固体酸化物型燃料電池が停止した後、固体酸化物型燃料電池内の燃料通路の圧力が固体酸化物型燃料電池内の空気通路の圧力よりも高くなるように制御する。

このように構成された本発明においては、ＳＯＦＣの停止直後もＳＯＦＣ内の燃料通路側に酸素が流入することを防ぐことができ、その結果、ニッケルの酸化反応も防ぐことができる。これにより、ニッケルの酸化還元反応による電極の破損を防ぐことが可能となる。

また、本発明においては、特に減圧用の装置を新たに設けることなく、圧力の差を維持することができ、ニッケルの酸化還元反応による電極の破損を防ぐことが可能となる。

また、本発明において、好ましくは、固体燃料型燃料電池の燃料極から排出されたオフガスを燃料の一部として吸引する内燃機関を更に有し、この内燃機関は固体酸化物型燃料電池が停止した後、燃料極へ供給された燃料を吸引して稼動を続ける。このようにすることで、燃料極のニッケル触媒によって吸熱反応である燃料の改質反応がおき、固体燃料型燃料電池の冷却が促進される。また、その間、固体燃料型燃料電池内の燃料通路と空気通路の圧力の差を維持することで、ニッケルの酸化還元反応による電極の破損を防ぐことが可能となる。

また、本発明において、好ましくは、固体酸化物型燃料電池の温度が所定温度に下がった時点で、燃料極への燃料の供給を停止する。所定温度に下がるまで固体燃料型燃料電池内の燃料通路と空気通路の圧力の差を維持することで、燃料の無駄を抑えながら、ニッケルの酸化還元反応による電極の破損を防ぐことが可能となる

また、本発明において、好ましくは、所定温度は約３００℃である。ＳＯＦＣの燃料極の触媒として用いられるニッケルの酸化反応が起こりづらい温度にまで下がることで、ニッケルの酸化還元反応による電極の破損を防ぐことが可能となる。

また、本発明において、好ましくは、燃料通路を遮断して固体酸化物型燃料電池内の燃料通路を封止する封止手段を有し、燃料極への燃料の供給が停止された後にこの封止手段が固体酸化物型燃料電池内の燃料通路を封止する。ニッケルの酸化還元反応による電極の破損を防ぎながら、触媒の状態を良好に保つことが可能となる。

また、本発明において、好ましくは、空気通路封止手段は、空気通路のうち空気極の前後にあたる部分にそれぞれ設けられたバルブであって、これらのバルブを閉じることによって固体酸化物型燃料電池内の空気通路を封止する。減圧用ポンプなどの追加の動力を必要とする部品を設けずに、ニッケルの酸化還元反応による電極の破損を防ぎながら、触媒の状態を良好に保つことが可能となる。

本発明の燃料電池システムによれば、固体酸化物型燃料電池の燃料極の破損を防ぐことが可能となる。

本発明の第１の実施形態による燃料電池システムの基本構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態による燃料電池システムのコントロールユニットの入出力関係を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による燃料電池システムの基本制御を示すフローチャート図である。 本発明の第１の実施形態による燃料電池システムの停止時の制御を示すフローチャート図である。 本発明の第２の実施形態による燃料電池システムの基本構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態による燃料電池システムのコントロールユニットの入出力関係を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態による燃料電池システムの停止時の制御を示すフローチャート図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態による燃料電池システムは、電気自動車の駆動用電源であって、作動時に、炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して水素ガスを生成する改質器１と、改質器１で生成した水素ガスが供給される固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）２と、このＳＯＦＣ２の燃料極（アノード）へ燃料を供給する燃料通路１０ｂと、ＳＯＦＣ２の空気極（カソード）へ空気を供給する空気通路１１ａと、ＳＯＦＣ２内の圧力を制御する圧力制御手段としての燃料電池空気通路封止弁４ｇ、４ｈとを備えている。また、ＳＯＦＣから排出されたオフガスを燃料の一部として吸引する内燃機関としてのエンジン３と、内燃機関から排出された排気ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方の加熱に利用するために、排気ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方へ導くように排気ガスを導く先を制御する排気経路制御弁４ａ及び４ｂと、排気経路制御弁４ａ及び４ｂを制御する制御手段５（図示せず）とを備えている。

改質器１としては、従来公知の任意好適なものを利用することができる。改質器１では、例えば６００〜８００℃の高温下で、メタン等の炭化水素化合物を含む燃料ガスに水蒸気が加えられることによって、炭化水素化合物が分解されて、水素が生成される。本実施形態では、燃料ガスとして液化天然ガス（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｇａｓ：ＬＰＧ）を使用する。例えば、ＬＰＧ内のプロパン（Ｃ₃Ｈ₈）が水蒸気と反応すると、水素や一酸化炭素、二酸化炭素などが生成される。燃料ガスにはこれらの成分が含まれるとともに、反応しなかったプロパンも含まれている。

なお、図１では、改質器１へ供給される燃料ガスの経路を実線１０ａで示す。また、改質器１へ供給される水の経路の図示を省略する。また、図１に経路を示す種々のガスは、それぞれ経路に従って設けられた不図示の配管によって導かれる。

また、改質器１には、排気ガスの熱及びオフガスによって改質器１を加熱するために、不図示の熱交換機構が設けられている。熱交換機構は、任意好適な構造を採用することができる。例えば、熱交換機構として、改質器１の周囲を排気ガスとオフガスを別々に通すジャケットで覆ってもよいし、改質器１の内部に、排気ガスとオフガスを別々に通す複数の配管を設けてもよい。

改質器１で生成された水素ガス、及び改質器１を通過した未改質の燃料ガスは、ＳＯＦＣ２へ供給される。また、ＳＯＦＣ２へは空気（Ａｉｒ）も供給される。図１では、改質器１からＳＯＦＣ２へ供給される水素ガス及び未改質の燃料ガスの経路、すなわち燃料通路を実線１０ｂで示し、ＳＯＦＣ２へ供給される空気の経路、すなわち空気通路を破線１１ａで示す。また、ＳＯＦＣ２内の空気通路を破線１１ｂで示す。このＳＯＦＣ２内の空気通路１１ｂは空気通路のうちＳＯＦＣ２内を通過する部分をさすとともに、燃料電池空気通路封止弁４ｇと４ｈの間全体を含む。第１の実施形態と第２の実施形態の説明において「ＳＯＦＣ２内の空気通路」の用語を使用するが、その途中に空気極２２が存在し、燃料電池空気通路封止弁４ｇと４ｈの間にあれば、その前後がＳＯＦＣ２からはみ出しても構わない。また、第１の実施形態において燃料通路についてＳＯＦＣ２の前後でこれを封止する封止弁は設けられていないため、第１の実施形態において「ＳＯＦＣ２内の燃料通路」の用語は燃料通路のうち、ＳＯＦＣ２の内部を通過する部分をさす。明らかにこのＳＯＦＣ２内の燃料通路の途中に燃料極２１が存在する。

ＳＯＦＣ２としては、従来公知の任意好適なものを利用することができる。本実施形態におけるＳＯＦＣ２も、従来公知のものと同様に、燃料極（アノード）２１と空気極（カソード）２２を備えている。改質器１からの燃料ガス等は燃料通路１０ｂを通って燃料極２１へ供給される。また、空気極２２には空気通路１１ａ、１１ｂを通って空気が供給される。

ＳＯＦＣ２では、燃料極２１に供給された燃料ガス中の水素と、空気極２２に供給された空気中の酸素とが反応して水が生成されるとともに電気が発生する発電反応が行われる。発電反応で発生した電気は、燃料極２１及び空気極２２それぞれのセラミック電極に接続された二次電池（図示せず）や駆動モータ（図示せず）に送られる。燃料極２１には、ニッケルを含む触媒が用いられている。

本発明に係るＳＯＦＣは、６５０℃ほどの作動温度で発電反応を行う。発電反応は発熱反応であるため、発電反応が開始するとＳＯＦＣは自立的に加熱されて、ＳＯＦＣの作動温度が維持される。

ＳＯＦＣ２から排出されたオフガスは、改質器１の熱交換機構（図示せず）を経由して、燃料通路の１つである、実線で表すオフガス排出通路１０ｄを通ってエンジン３の吸入ポート３１へ供給される。本実施形態では、オフガスとして、ＳＯＦＣ２の燃料極２１から排出されたガス（未反応の燃料ガスを含む）と、空気極２２から排出されたガスとの両方がエンジン３へ供給される。空気極２２からエンジン３へ供給される空気の経路、すなわち空気通路を破線１１ｃで示す。

ＳＯＦＣ２の作動温度が高温であるため、ＳＯＦＣ２から排出されたオフガスも通常、数百℃という高温である。かかる高温のオフガスは、改質器１の熱交換機構において、改質器１と熱交換される。その結果、改質器１が加熱される一方、オフガスが冷却される。そして、冷却されたオフガスがエンジン３へ供給される。これにより、オフガスの排熱の有効利用を図ることができる。

エンジン３としては、吸気排気サイクルを有する従来公知の任意好適な内燃機関を利用することができる。例えば、エンジン３として、レシプロエンジンを採用してもよいし、ロータリーエンジンを採用してもよい。図１では、ピストン３３を備えたレシプロエンジンの例を模式的に示す。エンジン３を内燃機関として駆動する際には、エンジン３での燃焼を最適なものとするため、エンジン３の吸気ポート３１にオフガスとともに、燃料（ＬＰＧ）及び空気（Ａｉｒ）が供給される。

このエンジン３は車両走行のための駆動源ではなく、エンジン３のコネクティングロッド３４はモータ兼発電機６に連結されている。これにより、エンジン３は、オフガスを燃料の一部として内燃機関として駆動して、モータ兼発電機６で補助的に発電することができる。また、二次電池に充電された電気を利用してモータ兼発電機６をモータとして駆動することによって、エンジン３のピストン３３を運動させることもできる。

エンジン３においてオフガスを燃料の一部として利用することによって、オフガスに含まれる未反応の水素を燃焼させることができるとともに、オフガスに含まれる未改質の炭化水素化合物も燃焼させることができる。このように、エンジン３でオフガスを燃焼させることによって、引火性の高い水素ガスを大気中に放出することを回避することができるとともに、オフガス中の未反応炭化水素化合物を減らして、排気ガスの浄化を図ることができる。

さらに、エンジン３は、通常のＳＯＦＣ等の燃料電池ユニットにおいて必要とされるブロアーの機能を果たす。具体的には、エンジン３は、吸気サイクルにおいて、吸気ポート３１からオフガスを吸引する。その結果、ＳＯＦＣ２の燃料極２１では改質器１から燃料ガス等が吸引され、かつ、空気極２２では空気が吸引される。さらに、改質器１では、燃料ガスが吸引される。したがって、本実施形態による燃料電池ユニットでは、燃料ガスを改質器及びＳＯＦＣへ送出するためのブロアーも、空気をＳＯＦＣへ送出するためのブロアーも必要としない。

そして、エンジン３は、排気ポート３２から数百℃の高温の排気ガスを排気する。排気ガスは、改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方の熱交換機構へ導かれて、これらの加熱に利用される。これにより、排気ガスの排熱の有効利用を図ることができる。

また、後述するように、エンジン３はオフガスの他に、ＳＯＦＣ２の停止動作の過程でＳＯＦＣの燃料極で発生する燃料ガスの改質反応によって生じるメタンなどの化学物質も燃焼することができる。停止動作の過程でも内燃機関を駆動することで、補助的な発電を行うことができ、全体としてエネルギー効率が向上する。

排気経路制御弁４ａ及び４ｂは、排気ガスの経路上に設けられ、排気ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方へ導くように排気ガスを導く先を制御する。具体的には、排気経路制御弁４ａが開き、かつ排気経路制御弁４ｂが閉じている場合に、排気ガスは改質器１へ導かれる。一方、排気経路制御弁４ａが閉じ、かつ排気経路制御弁４ｂが開いている場合に、排気ガスはＳＯＦＣ２へ導かれる。さらに、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの両方が開いている場合に、排気ガスは改質器１及びＳＯＦＣ２の両方へ導かれる。改質器１及びＳＯＦＣ２それぞれに導かれる排気ガスの割合は、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開度によって制御される。

なお、図１では、燃料電池システムの定常運転時に、排気経路制御弁４ａが開き、かつ排気経路制御弁４ｂが閉じて、エンジン３から改質器１へ導かれて排気される排気ガスの経路を太線１２で示す。また、図１では、エンジン３からＳＯＦＣ２へ導かれて排気されるガスの経路の一部を二点鎖線で示す。

制御手段は、コントロールユニット５として設けられている。ここで、図２にコントロールユニット５の入出力関係を表すブロック図を示す。図２に示すように、コントロールユニット５には、電気自動車のイグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）のオン情報５１、エンジン回転数５２、車速５３、アクセル開度５４、二次電池の充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）５５、ＳＯＦＣ温度５６及び改質器温度５７の情報が入力される。また、ＳＯＦＣ２の発電反応によって発電された電力量である発電量５８の情報も入力される。なお、これらの情報は、それぞれ不図示のセンサによって検出される。

コントロールユニット５は、後述するように、燃料電池システムの停止時に、燃料電池空気通路封止弁４ｇ、４ｈを閉じて、ＳＯＦＣ２内の空気通路１１ｂを密閉空間とし、空気通路１１ａや、空気極２２からエンジン３へ空気を供給する空気通路１１ｃから空気が流入しないようする。こうして空気通路１１ｂを封止することで、空気極２２が封止される。これらの燃料電池空気通路封止弁４ｇ、４ｈは空気通路１１ａ、１１ｃのうち、空気極２２の前後にあたる部分にそれぞれ設けたバルブを用いているが、隔壁を挿入するようにして気密性を高めても構わない。なお、後述するように、本発明では封止された空気通路１１ｂに残った酸素を反応で消費することにより圧力差を作り出すため、封止される空気通路１１ｂの容積は小さい方が好ましい。このため、燃料電池空気通路封止弁４ｇ、４ｈは、それぞれＳＯＦＣ２に近接した位置に配置されるのが好ましい。

さらに、コントロールユニット５は、改質器１に供給される燃料ガス量を制御する燃料電池燃料制御弁４ｃ、空気量を制御する燃料電池空気制御弁４ｄの開閉も制御する。また、コントロールユニット５は、オフガスとは別に、エンジン３へ供給される空気及び燃料の量を制御する空気制御弁４ｅ及び燃料制御弁４ｆその他の燃料電池ユニット内の各弁の開閉をも制御する。さらに、コントロールユニット５は、モータ兼発電機６の動作も制御する。

また、コントロールユニット５は、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉も制御する。なお、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの制御方法の詳細については出願人が既に出願している特願２０１０−２２３５８号明細書（特開２０１１−１５９５８５号）に開示されており、本願においてもこれを援用する。

次に、図３のフローチャートを参照して、コントロールユニット５による燃料電池システムの作動時の基本制御について説明する。まず、車速、アクセル開度及び二次電池のＳＯＣの情報がコントロールユニット５に読み込まれる（Ｓ３１）。

次いで、車速及びアクセル開度から、走行に必要な電力を算出する（Ｓ３２）。次いで、二次電池のＳＯＣからＳＯＦＣ２で発電すべき充電電力を算出する（Ｓ３３）。

次いで、算出した充電電力に応じて、ＳＯＦＣ２へ供給すべき燃料量及び空気量を算出する（Ｓ３４）。次いで、算出した供給すべき燃料量に応じて、燃料電池燃料制御弁４ｃの開度を制御する（Ｓ３５）。

次いで、算出した供給すべき空気量に応じて、エンジンの目標回転数を設定する（Ｓ３６）。エンジン３はブロアーとしても機能するため、エンジンの回転数によって、空気供給量が調節される。次いで、エンジン３が目標回転数となるように、エンジン３を制御する（Ｓ３７）。エンジンの制御にあたっては、空気制御弁４ｅ及び燃料制御弁４ｆの開度が制御される。このようにして、車両の走行中、ＳＯＦＣ２によって適切な電力が発電される。

次に、図４のフローチャート図を参照して、ＳＯＦＣ２の発電を停止させる必要が生じた場合のＳＯＦＣ２の停止制御について説明する。まず、コントロールユニット５は運転停止等に伴う、ＳＯＦＣの停止指示がなされたか否かを判定する（Ｓ４１）。停止指示がなされていない場合、停止制御は実行されず、停止指示がなされるのを待つ（Ｓ４１で「Ｎｏ」の場合）。

停止指示がなされたとコントロールユニット５が判定した場合（Ｓ４１で「Ｙｅｓ」の場合）、コントロールユニット５は、まず速やかに燃料電池空気制御弁４ｄを閉じて、ＳＯＦＣ２の空気極２２に対する空気の供給を停止する（Ｓ４２）。

次いで、コントロールユニット５は燃料電池空気通路封止弁４ｇ、４ｈを閉じてＳＯＦＣ２内の空気通路１１ｂを封止し、空気が流入しないようにする（Ｓ４３）。本実施形態において、空気通路は弁（バルブ）によって封止されるが、この他に隔壁を挿入して空気の流入を遮断し、封止することも可能であり、また、これらを併用してもかまわない。

次いで、ＳＯＦＣ２は停止モードでの発電を開始する（Ｓ４４）。この停止モードでの発電とは、ＳＯＦＣ２内の空気通路１１ｂが封止された状態で、燃料極２１に向けて燃料通路に燃料ガスを流し、ＳＯＦＣ２内の空気通路１１ｂに残存している酸素を使って発電を続ける状態を指す。

次いで、コントロールユニット５はＳ４４における停止モードでの発電状況をモニターし、発電が「Ｃｃ≦Ｃｓ」という条件を満たしたか否かを判定する（Ｓ４５）。以下、この条件について説明する。

ＳＯＦＣ２において、発電反応は封止された空気通路１１ｂ内の酸素を消費しながら進行するため、発電反応によって封止された空気通路１１ｂ内の酸素分子数が減少し、圧力が低下する。すなわち、発電量をモニターすることによって、圧力の低下の度合いを測ることが可能となる。本実施形態において、コントロールユニット５が発電量をモニターしているため、この発電量から、反応して空気通路１１ｂから減少した酸素の物質量を計算することができる。そして、ＳＯＦＣ２内の封止された空気通路１１ｂの容積と減少した酸素の物質量とを元に、各時点での圧力を算出することが可能となる。ここで、ＳＯＦＣ２の停止モードでの発電によって取り出された総クーロン数（Ｃ）をＣｓとすると、これは上述したように酸素の消費量に比例する。一方、ＳＯＦＣ２内の空気通路１１ｂの圧力を所定の圧力値となるように、空気通路１１ｂの容積（給排気管の形状やＳＯＦＣスタック形状から予め求めておく）に応じて個別に逆算したクーロン数クライテリアをＣｃとすると、Ｃｃ≦Ｃｓの条件を満たした場合、ＳＯＦＣ２内の空気通路１１ｂの圧力が燃料通路の圧力よりも所望の分だけ小さくなったと推定できる。よって、本実施形態においては停止モードでの発電量、すなわちクーロン数を計測することで間接的にＳＯＦＣ２内の燃料通路と空気通路１１ｂとの間に所望の圧力差が生じたと判定する。

停止モードでの発電をどの程度続けるか、すなわちクーロン数クライテリアについては、予め求めたＳＯＦＣ２内の空気通路１１ｂの容積に応じて適宜設定すればよい。Ｃｃ≦Ｃｓの条件を満たすまで、停止モードでの発電が続けられる（Ｓ４５で「Ｎｏ」の場合）。

Ｃｃ≦Ｃｓの条件が満たされると（Ｓ４５で「Ｙｅｓ」の場合）、次いで、コントロールユニット５はＳＯＦＣ２の発電動作を停止する（Ｓ４６）。この段階ではまだ燃料ガスの供給は続いている。発電動作が停止した後も、ＳＯＦＣ２内の温度は高く、触媒によって燃料ガスの改質反応が発生する。この改質反応も利用して冷却を行う（Ｓ４７）。すなわち、燃料ガスが燃料極２１において改質反応を起こし、水素を含む改質ガスが生成されるが、この改質反応は吸熱反応であるため、高温状態にあるＳＯＦＣ２の冷却に寄与する。吸熱反応により生成された改質ガスはその後エンジン３へと送られて燃焼される。エンジン３で燃焼することで発電をすることができ、次に稼動する際に活用すべく蓄電池へ蓄電することも可能である。これにより、更にエネルギー効率の向上を図ることができる。

改質反応や自然冷却により、改質反応も発生しない温度までＳＯＦＣ２が冷却される。これにより、触媒に含まれるニッケルが酸化反応を起こさない温度まで冷却されることになる。約３００℃を下回る温度となれば、ニッケルの酸化反応はほとんど進行しなくなる。少なくとも３００℃以下に冷却されるまで上述したＳＯＦＣ２内の燃料通路と空気通路との間の圧力差を維持すれば、その後に酸素分子が燃料極２１側に流入したとしても、問題となるような酸化ニッケルの生成、膨張は発生しない。

次いで、コントロールユニット５は燃料電池燃料制御弁４ｃを閉じ、ＳＯＦＣ２に対する燃料供給を停止する（Ｓ４８）。燃料極２１側の温度が下がると、改質反応も発生しなくなるため、無駄に燃料ガスを流す必要もなくなり、燃料ガスを節約することができる。このようにして、ＳＯＦＣ２の停止制御が終了する。

上述したように、ＳＯＦＣ２の通常運転時から、ＳＯＦＣ２の停止制御が終了するまでの間、ＳＯＦＣ２内の空気通路１１ｂの圧力はＳＯＦＣ２内の燃料通路の圧力よりも高くならない。特に、Ｓ４３においてＳＯＦＣ２内の空気通路１１ｂを封止し、Ｓ４４で停止モードでの発電を開始してからは、ＳＯＦＣ２内の燃料通路の圧力がＳＯＦＣ２内の空気通路１１ｂの圧力よりも高い状態が続く。このため、ＳＯＦＣ２の停止時において、仮にピンホールなどが生じている場合でも空気極２２の側から酸素分子が燃料極２１側に漏れ出して、触媒中のニッケルを酸化するのを防ぐことができる。

また、上述したＳ４５の代わりに、ＳＯＦＣ２内の空気通路１１ｂの圧力を、圧力センサーを用いて計測して所定圧力に下がったか否か判別するようにしても構わない。しかし、本実施形態によれば、圧力センサーを用いる必要がなく、部品点数を減らすことができるという利点がある。

図５乃至図７を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。図５に示すように、本発明の第２の実施形態による燃料電池システムも、電気自動車の駆動用電源であり、その動作について基本的に上述した第１の実施形態と同様である。第２の実施形態の説明において、図中の各要素についても、第１の実施形態と同様の部分については説明を省略する。

図５に示すように、第２の実施形態はＳＯＦＣ２内の燃料通路を封止する燃料電池燃料通路封止弁４ｉ、４ｊを設けている点が第１の実施形態と異なっている。また、ＳＯＦＣ２内の燃料通路を実線１０ｃで示す。このＳＯＦＣ２内の燃料通路１０ｃは燃料通路のうちＳＯＦＣ２内を通過する部分をさすとともに、燃料電池燃料通路封止弁４ｉと４ｊの間全体を含む。第２の実施形態の説明において「ＳＯＦＣ２内の燃料通路」の用語を使用するが、その途中に燃料極２１が存在し、燃料電池燃料通路封止弁４ｉと４ｊの間にあれば、その前後がＳＯＦＣ２からはみ出しても構わない。

また、図６に示すように、第２の実施形態のコントロールユニット５は、上述した燃料電池燃料通路封止弁４ｉ、４ｊを制御する機能が追加されている点が第１の実施形態のコントロールユニット５と異なっている。

図５に示す構成を有する第２の実施形態の燃料電池システムの基本制御は図３に示す第１の実施形態の燃料電池システムの基本制御と共通であるため、説明を省略する。

第２の実施形態の燃料電池システムの停止時の制御について図７を参照して説明する。図７に示す各ステップのうち、Ｓ７１乃至Ｓ７８は第１の実施形態における制御フローを示す図４のＳ４１乃至Ｓ４８とそれぞれ共通であるため、説明を省略する。第２の実施形態が第１の実施形態と異なっている点はＳ７７において、コントロールユニット５が燃料電池燃料制御弁４ｃを閉じ、ＳＯＦＣ２に対する燃料供給を停止した後、コントロールユニット５が燃料電池燃料通路封止弁４ｉ、４ｊを閉じるように制御し、ＳＯＦＣ２内の燃料通路１０ｃを封止する（Ｓ７９）点である。

この第２の実施形態によると、ＳＯＦＣ２内の燃料通路１０ｃに燃料ガスを閉じ込めておくことにより、ＳＯＦＣ２内の燃料通路１０ｃと空気通路１１ｂとの間の圧力差を維持するだけでなく、燃料極２１に設けられた触媒などを良好な状態に保つことができるという利点がある。

本発明の各実施形態は上述したようにＳＯＦＣ２内の空気通路１１ｂを封止し、発電反応を継続させることによってＳＯＦＣ２内の燃料通路と空気通路の圧力に差を設けている。本発明の他の実施形態としては、第１の実施形態の燃料電池システムに、更なる圧力制御手段として、空気通路１１ｂを封止する構造に加えて空気通路側にポンプなどの吸引手段を設けるものが挙げられる。この実施形態においては、ＳＯＦＣ２の停止の際にまず、吸引手段を用いて空気通路を所定圧まで減圧した後に空気通路１１ｂを封止する。単にＳＯＦＣ２における発電反応によって、封止された空気通路１１ｂ内の酸素を消費することで圧力差を生じさせるよりも早く圧力差を作り出すことが可能である。

また、本発明の他の実施形態としては、第２の実施形態の燃料電池システムに、更なる圧力制御手段として、空気通路１１ｂを封止する構造、燃料通路１０ｃを封止する構造に加えてＳＯＦＣ２の前後の燃料通路にポンプや高圧タンクなどの加圧手段を設けるものが挙げられる。この実施形態においては、ＳＯＦＣの停止の際にまず、加圧手段を用いて燃料通路を所定圧まで加圧した後に燃料通路１０ｃを封止し、併せて空気通路１１ｂを封止する。単にＳＯＦＣにおける発電反応によって、封止された空気通路の酸素を消費することで圧力差を生じさせるよりも早く圧力差を作り出すことが可能である。

実際には急速に圧力差を作り出すことが必要になる場合以外は、上述した本発明の第１の実施形態および第２の実施形態の構成で十分に対応可能である。通常の条件下では本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態の方が部品点数も少なく、エネルギーを余分に消費することもなく、構造も単純化できるという利点があり、好ましい。

本発明の燃料電池システムは、例えば、電気自動車に搭載される電源として利用可能である。

１ 改質器
２ ＳＯＦＣ
３ エンジン
４ａ、４ｂ 排気経路制御弁
４ｃ 燃料電池燃料制御弁
４ｄ 燃料電池空気制御弁
４ｅ 空気制御弁
４ｆ 燃料制御弁
４ｇ、４ｈ 燃料電池空気通路封止弁
４ｉ、４ｊ 燃料電池燃料通路封止弁
５ コントロールユニット
６ モータ兼発電機
１０ａ、１０ｂ、１０ｄ 燃料通路
１０ｃ 燃料電池内の燃料通路
１１ａ、１１ｃ 空気通路
１１ｂ 燃料電池内の空気通路
２１ 燃料極（アノード）
２２ 空気極（カソード）
３１ 吸気ポート
３２ 排気ポート
３３ シリンダ
３４ コネクティングロッド

Claims (6)

1. 燃料が供給される燃料極及び空気が供給される空気極を有する固体酸化物型燃料電池と、
   前記固体酸化物型燃料電池の燃料極へ燃料を供給する燃料通路と、
   前記固体酸化物型燃料電池の空気極へ空気を供給する空気通路と、
   前記固体酸化物型燃料電池内の前記空気通路の圧力を制御する圧力制御手段とを有し、 前記圧力制御手段は、前記固体酸化物型燃料電池内の空気通路を封止する空気通路封止手段であって、この空気通路封止手段が前記空気通路を封止した後、前記燃料極への燃料の供給による発電を継続することで、前記固体酸化物型燃料電池が停止した後、前記固体酸化物型燃料電池内の前記燃料通路の圧力が前記固体酸化物型燃料電池内の前記空気通路の圧力よりも高くなるように制御する燃料電池システム。
2. 前記固体燃料型燃料電池の前記燃料極から排出されたオフガスを燃料の一部として吸引する内燃機関を更に有し、この内燃機関は前記固体酸化物型燃料電池が停止した後、前記燃料極へ供給された燃料を吸引して稼動を続ける、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記固体酸化物型燃料電池の温度が所定温度に下がった時点で、前記燃料極への燃料の供給を停止する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記所定温度は約３００℃である請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池システムは更に、前記燃料通路を遮断して前記固体酸化物型燃料電池内の前記燃料通路を封止する燃料通路封止手段を有し、前記燃料極への燃料の供給が停止された後にこの封止手段が前記固体酸化物型燃料電池内の前記燃料通路を封止することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
6. 前記空気通路封止手段は、前記空気通路のうち前記空気極の前後にあたる部分にそれぞれ設けられたバルブであって、これらのバルブを閉じることによって前記固体酸化物型燃料電池内の空気通路を封止する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

Images