JP6555361B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池システム及びその制御方法に関する。
一方の側にアノードガスを供給し、他方の側にカソードガス（空気等）を供給して、比較的高温で動作する固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が知られている。このような燃料電池を用いた燃料電池システムは、当該燃料電池を冷却しなければならないため、完全に停止するまでに時間を要する（ＪＰ２００７−０６６８７６Ａ）。例えば、定置用の燃料電池システムの中には完全に停止させるまでに１日から数日を要するものもある。
ＳＯＦＣのアノード極は高温では酸化しやすい性質を持つ。また、カソード極はアノードガスと反応して劣化してしまうおそれがある。そのため、停止処理中においても、アノード極へのアノードガスの供給、及び、カソード極へのカソードガスの供給が行われる。
また、燃料電池システムの停止処理中にＳＯＦＣ内で完全に反応しきれなかったアノードガスは、未燃ガスとして排出されるおそれがある。このような未燃ガスに対して排気燃焼器を用いた酸化触媒処理を行うことにより、大気への未燃ガスの排出が抑制される。このような酸化触媒処理に用いられる触媒は、動作温度が比較的高い。
しかしながら、停止処理中はＳＯＦＣ全体の温度が低下しているため、排気燃焼器の触媒が適切な動作温度にならず、未燃ガスの全てが酸化触媒処理されずに、一部が燃料電池システム外に排出されるおそれがあるという課題がある。
本発明の目的は、燃料電池システムの停止処理中における未燃ガスの大気への排出を抑制することである。
本発明の一態様の燃料電池システムは、燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池を備える燃料電池システムであって、カソードガスを、カソードガス供給路を介して燃料電池に供給するカソードガス供給部と、カソードガス供給路に設けられる第１燃焼器と、燃料電池から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスを燃焼させる第２燃焼器と、カソードガス供給路において、第１燃焼器の上流から分岐して第１燃焼器の下流へと合流する第１分岐路と、カソードガス供給路における第１燃焼器の下流から分岐し、燃料電池からカソードオフガスを第２燃焼器に排出するカソードオフガス排出路へと合流する第２分岐路と、を有する。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）システムの概略構成図である。なお、図１に示されたＳＯＦＣシステムは、通常運転中であるものとする。
図１は、第１実施形態における固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）システムの概略構成図である。なお、図１に示されたＳＯＦＣシステムは、通常運転中であるものとする。
ＳＯＦＣである燃料電池スタック１は、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層を、アノードガス（燃料ガス）が供給されるアノード極（燃料極）と、カソードガス（酸化ガス）として酸素を含む空気が供給されるカソード極（空気極）により挟み込んで構成されたセルを積層したものである。燃料電池スタック１では、アノードガス中に含まれる水素などの燃料とカソードガス中の酸素とを反応させて発電を行い、反応後のアノードガス（アノードオフガス）と反応後のカソードガス（カソードオフガス）を排出する。
燃料電池スタック１を備える固体酸化物型燃料電池システム（以後、燃料電池システム１００と称す。）には、燃料電池スタック１にアノードガス（燃料）を供給する燃料供給系統と、燃料電池スタック１にカソードガス（空気）を供給する空気供給系統と、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスとを燃料電池システム１００外へと排気する排気系統とが設けられている。また、これらの系統とは別に、燃料電池スタック１に直接接続された駆動系統が設けられている。
燃料供給系統は、蒸発器２、原料加熱器３、改質器４等を含む。空気供給系統は、コンプレッサー５、空気熱交換器６、起動燃焼器７等を含む。排気系統は、排気燃焼器８等を含む。駆動系統は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９Ａ、バッテリ９Ｂ、駆動モータ９Ｃ等により構成される。また、燃料電池システム１００は、システム全体の動作を制御する制御部１０を備える。
制御部１０は、燃料電池システム１００の各構成や各系統における弁などを制御することで、燃料電池システム１００全体を制御する。なお、制御部１０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
以下では、それぞれの系統について詳細に説明する。まず、燃料供給系統の詳細について説明する。
燃料供給系統においては、不図示の燃料タンクに蓄えられている液体の燃料が、蒸発器２、原料加熱器３、改質器４を介して、燃料電池スタック１に供給される。燃料としては、エタノールと水を混合させた含水エタノールなどが用いられる。
燃料供給系統における燃料の経路は、燃料タンクから蒸発器２へ向かう経路１０１、蒸発器２から原料加熱器３へと向かう経路１０２、原料加熱器３から改質器４へと向かう経路１０３、改質器４から燃料電池スタック１へと向かう経路１０４を備える。また、経路１０３の途中から分岐し、燃料電池スタック１からアノードオフガスが排出される経路１２１、１２２へと合流する、分岐経路１０５が設けられている。
経路１２１と１２２とは弁１１を介して接続されており、分岐経路１０５は弁１１にて合流する。この弁１１が開閉されることによって、分岐経路１０５の遮断と導通とが切り替えられる。通常運転中は、弁１１によって、分岐経路１０５が遮断されるとともに、経路１２１、１２２が導通している状態となる。なお、経路１０２には温度センサＴ１が、経路１０４には温度センサＴ２、圧力センサＰ１が設けられている。
蒸発器２は、排気燃焼器８から排気される排気ガスの熱を利用して燃料を気化させる。原料加熱器３は、排気燃焼器８からの排気ガスの熱を用いて、気化させた燃料ガスを改質器４において改質可能な温度までさらに加熱する。具体的には、経路１０１において約３０度であった液体の燃料は、経路１０２において約４００度の燃料ガスとなる。経路１０３において、燃料ガスは約６６０度にさらに加熱される。そして、燃料ガスは改質器４にてアノードガスに改質される。
改質器４は、触媒反応によって燃料をアノードガスに改質して、そのアノードガスを燃料電池スタック１のアノード極に供給する。例えば、燃料である含水エタノールは、メタン、水素、及び、一酸化炭素などを含むアノードガスに改質される。改質器４においては触媒反応による吸熱が起こるので、経路１０４におけるアノードガスは約５２０度となる。
次に、空気供給系統の詳細について説明する。
空気供給系統においては、外部から取り込まれたカソードガスは、コンプレッサー５、空気熱交換器６、起動燃焼器７を介して、燃料電池スタック１に供給される。なお、コンプレッサー５は、カソードガス供給部の一例であり、ブロワなどを替わりに用いてもよい。
空気供給系統における空気の経路は、コンプレッサー５から空気熱交換器６へと向かう経路１１１、空気熱交換器６から起動燃焼器７へと向かう経路１１２、起動燃焼器７から燃料電池スタック１へと向かう経路１１３、１１４を備える。経路１１３と１１４とは弁１３を介して接続されている。また、弁１３から分岐し、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが排出される経路１２４へと合流する分岐経路１１５が設けられている。弁１３が操作されることによって、起動燃焼器７からのアノードガスの供給先が、経路１１４を介した燃料電池スタック１、又は、分岐経路１１５を介した排気燃焼器８に切り替えられる。通常運転時においては、弁１３によって、経路１１３、１１４は導通されるとともに、分岐経路１１５は遮断されている。
さらに、経路１１１には弁１２が設けられており、燃料電池システム１００の動作中はこの弁１２が開かれることで、燃料電池システム１００にカソードガスが取り込まれる。また、経路１１２の途中から分岐して経路１１４へと合流する分岐経路１１６が設けられている。この分岐経路１１６には弁１５が設けられている。弁１５が開閉されることによって、分岐経路１１６の遮断と導通とが切り替えられる。弁１５は通常運転時には閉じられており、分岐経路１１６は遮断されている。なお、経路１１３には温度センサＴ３、圧力センサＰ２が設けられている。
空気熱交換器６は、排気燃焼器８からの排気ガスの熱を利用して、カソードガスを加熱する。起動燃焼器７は、外部から供給される空気と燃料とを混合して着火可能に構成されている。起動燃焼器７は、燃料電池システム１００の起動時などに起動され、燃料電池スタック１へ加熱したカソードガスを供給する。また、起動燃焼器７への外部からの空気の供給経路には弁１４が設けられている。弁１４を用いることで、起動燃焼器７の燃焼量を制御できる。なお、カソードガスの温度は、経路１１１では約６０度、経路１１２では約３００度、経路１１３では約７００度となる。
次に、排気系統の詳細について説明する。
燃料電池スタック１からは、経路１２１、１２２を介してアノードオフガスが、経路１２３、１２４を介してカソードオフガスが排出される。アノードオフガス及びカソードオフガスは、排気燃焼器８にて燃焼されて排気ガスとなる。排気ガスは、原料加熱器３、蒸発器２、空気熱交換器６を介して外部に排出される。
排気系統における経路は、燃料電池スタック１からカソードオフガスを排出する経路１２１、１２２、アノードオフガスを排出する経路１２３、１２４、排気燃焼器８から原料加熱器３へと向かう経路１２５、原料加熱器３から蒸発器２へと向かう経路１２６、蒸発器２から空気熱交換器６へと向かう経路１２７、空気熱交換器６から外部へと向かう経路１２８とを備える。
約７５０度であった経路１２１、１２２のカソードオフガス、及び、経路１２３、１２４のアノードオフガスは、排気燃焼器８にて燃焼されて、約７６０度の排気ガスとして経路１２５に排出される。この排気ガスの温度は、経路１２６では約７２０度、経路１２７では約５５０度、経路１２８では約４１０度となる。
経路１２３と１２４と間には弁１６が設けられており、弁１６から分岐してカソードオフガスを外部へ排気可能な排気経路１２９が設けられている。弁１６が制御されることによって、燃料電池スタック１からのカソードオフガスの排出先が、経路１２４を介した排気燃焼器８、又は、排気経路１２９を介した燃料電池システム１００外に切り替えられる。通常運転中には、弁１６は閉じられており、排気経路１２９は遮断されている。
また、経路１２８には、弁１７が設けられており、燃料電池システム１００の停止時に弁１８が閉じられることで、経路１２８から大気が燃料電池スタック１に逆流するのが防止される。
排気燃焼器８は、アルミナなどのセラミック材料により構成された触媒を備えており、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合し、その混合ガスを酸化させ、二酸化炭素や水を主成分とする排気ガスを生成する。この酸化触媒反応には、適切に反応が進行する温度範囲がある。通常起動時においては、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスの温度が高いので、排気燃焼器８において酸化触媒反応は適切に進行する。
また、酸化触媒反応は発熱反応であるため、排気燃焼器８からの排気の温度は、アノードオフガス及びカソードオフガスの温度よりも高くなる。排気燃焼器８は、外部から供給される空気と燃料とを混合して着火可能に構成されている。排気燃焼器８には、アノードオフガスとカソードオフガスとが最適に触媒燃焼反応する比率となるように、燃料及び空気が供給される。排気燃焼器８における触媒燃焼反応は、外部からの空気の供給路に設けられた弁１８を用いて制御される。
なお、経路１２１に温度センサＴ４が、経路１２３に温度センサＴ５が、経路１２５に温度センサＴ６が設けられている。
次に、駆動系統について説明する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ９Ａは、燃料電池スタック１に接続され、燃料電池スタック１の出力電圧を昇圧してバッテリ９Ｂまたは駆動モータ９Ｃに電力を供給する。バッテリ９Ｂは、ＤＣ−ＤＣコンバータ９Ａから供給される電力を充電するとともに、駆動モータ９Ｃに電力を供給する。駆動モータ９Ｃは、インバータ（不図示）を介してバッテリ９Ｂ及びＤＣ−ＤＣコンバータ９Ａに接続され、車両の動力源となっている。
次に、燃料電池システム１００の停止制御処理について説明する。なお、この停止制御処理は、燃料電池システム１００を搭載する車両が停車した時や、燃料電池システム１００の停止ボタンが押された時や、燃料電池スタック１において発電する電力が蓄えられる二次電池が満充電になった時から開始する。そして、停止制御処理は、燃料電池システム１００の冷却が進み、燃料電池スタック１のアノード極の酸化するおそれが低下して、燃料電池システム１００が自然冷却のみが行われる状態になるまで行われる。また、燃料電池システム１００の停止制御処理であるシステム停止制御は、システム停止中に実行される制御であり、システム停止中とはシステム停止制御の開始から次回のシステム起動時までの期間を意味する。
図２は、停止制御処理を示すフローチャートである。これらの制御は、制御部１０によって行われる。
ステップＳ２１においては、燃料供給停止処理が行われる。燃料供給停止処理の詳細は、後に、図３Ａ、３Ｂを用いて説明する。
ステップＳ２２においては、燃料電池スタック１の温度Ｔｃが、排出経路変更温度Ｔｃ１（例えば、５００度）以下となったか否かを判定する。燃料電池スタック１の温度Ｔｃが排出経路変更温度Ｔｃ１よりも高い場合には（Ｓ２２：Ｎｏ）、Ｓ２２の処理を継続する。一方、燃料電池スタック１の温度Ｔｃが排出経路変更温度Ｔｃ１以下である場合には（Ｓ２２：Ｙｅｓ）、Ｓ２３の処理に進む。なお、燃料電池スタック１の温度Ｔｃは、燃料電池スタック１に設けられた不図示の温度センサにより取得してもよいし、温度センサＴ４、Ｔ５などの測定温度から推測してもよい。
なお、燃料電池スタック１の温度が低下して、燃料電池スタック１から比較的低温のカソードオフガスが排気燃焼器８に供給されてしまうと、排気燃焼器８の温度が低下して、酸化触媒反応が進行しなくなる状態になる。排出経路変更温度Ｔｃ１は、このような状態になるおそれがある燃料電池スタック１の温度である。
ステップＳ２３では、カソードオフガス排出経路の変更処理が行われる。カソードオフガス排出経路の変更処理の詳細は、後に、図４Ａ、４Ｂを用いて説明する。
ステップＳ２４においては、燃料電池スタック１の温度Ｔｃが、停止温度Ｔｃ２（例えば、３００度）以下となったか否かを判定する。燃料電池スタック１の温度Ｔｃが停止温度Ｔｃ２よりも高い場合には（Ｓ２４：Ｎｏ）、Ｓ２４の処理を継続する。一方、燃料電池スタック１の温度Ｔｃが停止温度Ｔｃ２以下である場合には（Ｓ２４：Ｙｅｓ）、Ｓ２５の処理に進む。なお、停止温度Ｔｃ２は、燃料電池スタック１のアノード極が酸素と接触しても、酸化しない温度である。
ステップＳ２５では、アノードガス供給停止処理が行われる。アノードガス供給停止処理の詳細は、後に、図５Ａ、５Ｂを用いて説明する。
ステップＳ２６においては、排気燃焼器８の出口温度を示す温度センサＴ６の温度Ｔ６が、停止温度Ｔｃ３（例えば、７３０度）以下であるか否かが判定される。排気燃焼器８の出口温度Ｔ６が、停止温度Ｔｃ３よりも高い場合には（Ｓ２６：Ｎｏ）、Ｓ２６の処理を継続する。一方、排気燃焼器８の出口温度Ｔ６が停止温度Ｔｃ３以下である場合には（Ｓ２６：Ｙｅｓ）、Ｓ２７の処理に進む。
ステップＳ２７では、終了処理が行われる。終了処理の詳細は、後に、図６Ａ、６Ｂを用いて説明する。
次に、図３Ａ〜６Ｂを用いて、図２の燃料供給停止処理（Ｓ２１）、カソードオフガス排出経路の変更処理（Ｓ２３）、アノードガス供給停止処理（Ｓ２５）、及び、終了処理（Ｓ２７）の詳細について説明する。
まず、燃料供給停止処理の詳細について、図３Ａ、３Ｂを用いて説明する。
図３Ａには、燃料供給停止処理の詳細が示されており、図３Ｂには、燃料供給停止処理中の燃料電池スタックの構成図が示されている。
まず、燃料供給系統においては、経路１０１が遮断されて燃料電池システム１００への燃料の供給が停止される（Ｓ２１１）。そして、弁１１が操作されることで分岐経路１０５が導通する（Ｓ２１２）。このようにすることで、燃料供給系統の蒸発器２、経路１０２、及び、原料加熱器３に残っている燃料が、分岐経路１０５を介して排気燃焼器８に供給される。したがって、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止されるので、燃料電池スタック１は発電量が低下する。
空気供給系統においては、弁１５が操作されることで、分岐経路１１６が導通する（Ｓ２１３）。さらに、弁１３が操作されることで、経路１１４が遮断されるとともに分岐経路１１５が導通する（Ｓ２１４）。そして、起動燃焼器７が起動される（Ｓ２１５）。コンプレッサー５は動作を継続しているので、燃料電池スタック１には分岐経路１１６を介して起動燃焼器７に供給される前のカソードガスが供給される。したがって、比較的低温（約３１０度）のカソードガスにより燃料電池スタック１は徐々に冷却されることになる。また、排気燃焼器８には、分岐経路１１５を介して、起動燃焼器７で加熱された約７００度のカソードガスが供給される。そのため、排気燃焼器８は、触媒反応に適切な温度となり、触媒燃焼反応が適切に進行する。
駆動系統においては、ＥＡＰ処理が行われる（Ｓ２１６）。具体的には、バッテリ９ＢからＤＣ−ＤＣコンバータ９Ａを介して、燃料電池スタック１に逆バイアスの電圧が印加される。このようにすることで、燃料電池スタック１のアノード極の酸化が抑制される。
次に、カソードオフガス排出経路の変更処理（Ｓ２３）の詳細について、図４Ａ、４Ｂを用いて説明する。
図４Ａには、カソードオフガス排出経路の変更処理の詳細が示されており、図４Ｂには、カソードオフガス排出経路の変更処理中の燃料電池スタックの構成図が示されている。
まず、図２に示された、カソードオフガス排出経路の変更処理（Ｓ２３）の前段に行われる分岐処理（Ｓ２２）について説明する。燃料電池スタック１の冷却が進み、燃料電池スタック１の温度Ｔｃが排出経路変更温度Ｔｃ１（約５００度）以下となる（Ｓ２２：Ｙｅｓ）。この状態では、経路１２３、１２４を介して燃料電池スタック１から排気燃焼器８に供給されるカソードオフガスの温度が低いので、分岐経路１１５を介して起動燃焼器７から高温のカソードガスが供給されていても、排気燃焼器８は酸化触媒反応が進行しない温度に低下してしまう。そのため、カソードオフガス排出経路変更処理（Ｓ２３）を行う。一方、燃料電池スタック１の温度Ｔｃが排出経路変更温度Ｔｃ１よりも高い場合には（Ｓ２２：Ｎｏ）、排気燃焼器８は酸化触媒反応が進行する適切な温度であるため、Ｓ２２の処理を継続する。
ここで、図４Ａ、４Ｂを参照すると、カソードオフガス排出経路の変更処理（Ｓ２３）においては、弁１６が操作されて、経路１２４が遮断されるとともに、排気経路１２９が導通される（Ｓ２３１）。このようにすることで、燃料電池スタック１から経路１２３を経て排出されたカソードオフガスは、排気経路１２９を介して外部へ排出される。そのため、排気燃焼器８には温度が低下したカソードオフガスが供給されなくなる。
このように、排気燃焼器８には、分岐経路１１５を介して起動燃焼器７から高温のカソードガスのみが供給されるので、排気燃焼器８は、温度低下が抑制され、酸化触媒反応が進行する温度が確保される。排気燃焼器８において適切に酸化触媒反応が行われることにより、アノードオフガスに含まれる未燃ガスが大気に排出されるのが抑制される。このように、燃料電池スタック１を冷却しながら、排気燃焼器８を酸化触媒反応が進行する温度に維持することができる。
次に、アノードガス供給停止処理（Ｓ２５）の詳細について、図５Ａ、５Ｂを用いて説明する。
図５Ａには、アノードガス供給停止処理の詳細が示されており、図５Ｂには、アノードガス供給停止処理中の燃料電池スタックの構成図が示されている。
まず、図２に示された、アノードガス供給停止処理（Ｓ２５）の前段に行われる分岐処理（Ｓ２４）について説明する。燃料電池スタック１の冷却がさらに進み、燃料電池スタック１の温度Ｔｃが停止温度Ｔｃ２（約３００度）以下となると（Ｓ２４：Ｙｅｓ）、燃料電池スタック１のアノード極が大気接触しても酸化が進行しないと判断され、アノードガス供給停止処理（Ｓ２５）が行われる。一方、燃料電池スタック１の温度Ｔｃが停止温度Ｔｃ２よりも高い場合には（Ｓ２４：Ｎｏ）、燃料電池スタック１のアノード極が大気接触してしまうと酸化してしまうので、さらなる燃料電池スタック１の冷却が必要であると判断され、Ｓ２４の処理を継続する。
ここで、図５Ａ、５Ｂを参照すると、アノードガス供給停止処理（Ｓ２５）においては、弁１１が操作されることで分岐経路１０５が遮断されて、排気燃焼器８への燃料の供給が停止される（Ｓ２５１）。そして、弁１５が操作されることで分岐経路１１６が遮断されて、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給が停止される（Ｓ２５２）。そして、ＥＡＰ処理が停止される（Ｓ２５３）。このようにして、燃料電池スタック１の冷却処理が終了し、以降においては、燃料電池スタック１は自然冷却されることになる。なお、排気燃焼器８には、コンプレッサー５、空気熱交換器６、及び、起動燃焼器７を経た高温のカソードガスが、分岐経路１１５を介して供給される。そのため、排気燃焼器８においては適切に酸化触媒反応が進行することになる。
次に、停止処理（Ｓ２７）の詳細について、図６Ａ、６Ｂを用いて説明する。
図６Ａには、停止処理の詳細が示されており、図６Ｂには、停止処理中の燃料電池スタック１の構成図が示されている。
まず、図２に示された、終了処理（Ｓ２７）の前段に行われる分岐処理（Ｓ２６）について説明する。排気燃焼器８へは起動燃焼器７から分岐経路１１５を介して約７００度のカソードガスが供給されている。燃料供給系統に未燃ガスが残っている間は、排気燃焼器８にて触媒燃焼反応が進行する。そのため、排気燃焼器８から経路１２５への排気の温度は約７６０度となる。しかしながら、燃料供給系統に未燃ガスが含まれなくなると、排気燃焼器８にて触媒燃焼反応が起こらないため、排気燃焼器８から経路１２５への排気の温度は低くなる。
そこで、経路１２５の温度センサＴ６が示す排気燃焼器８の出口温度Ｔ６が停止温度Ｔｃ３以下となると（Ｓ２６：Ｙｅｓ）、燃料供給系統に未燃ガスが残っていないと判断され、停止処理（Ｓ２７）が行われる。一方、出口温度Ｔ６が停止温度Ｔｃ３以上である場合には（Ｓ２６：Ｎｏ）、燃料供給系統に未燃ガスが残っていると判断され、Ｓ２６の処理を継続する。
ここで、図６Ａ、６Ｂを参照すると、停止処理（Ｓ２７）においては、起動燃焼器７を停止する（Ｓ２７１）とともに、コンプレッサー５を停止する。そして、弁１２が操作されて経路１１１が遮断される（Ｓ２７２）。そして、弁１７が操作されて経路１２８が遮断される（Ｓ２７３）ことで、燃料電池システム１００への大気の逆流が防止される。このような状態になることで、燃料電池システム１００内は密閉された状態となる。このような状態で、燃料電池スタック１が外気温度と等しくなるまで自然冷却が継続される。
ここで、図７には、停止制御処理の他の一例が示されている。
図７を参照すると、カソードオフガス排出経路の変更処理（Ｓ２３）が開始された後に、カソードオフガス排出経路の切替処理（Ｓ７１）が行われている。そして、燃料電池スタック１の温度Ｔｃが停止温度Ｔｃ２よりも高い場合には（Ｓ２４：Ｎｏ）、燃料電池スタック１の冷却の継続が必要であると判断され、Ｓ７１の処理に戻る。
カソードオフガス排出経路の切替処理においては。排気燃焼器８の温度が酸化触媒反応が進行する適切な温度範囲内となるように、弁１６が操作される。弁１６の操作を行うことにより、カソードオフガスの排出先が経路１２４又は１２９に切り替えられる。そのため、排気燃焼器８への比較的低温のカソードオフガスの流入が制御されるので、排気燃焼器８は適切な温度となり、触媒燃焼反応が適切に進行する。
カソードオフガス排出経路の切替処理について、図８Ａ、８Ｂを用いて説明する。
図８Ａには、カソードオフガス排出経路の切替処理のフローチャートが示されており、図８Ｂには、カソードオフガス排出経路の切替処理中の燃料電池スタック１の構成図が示されている。
排気燃焼器８において酸化触媒反応が進む適切な温度範囲の上限温度をＫ１（燃焼上限温度）で、下限温度をＫ２（燃焼下限温度）と示すものとする。また、図８Ｂに示されているように、本切替処理では、燃料電池スタック１からのカソードオフガスの排出先が、経路１２４、又は、排気経路１２９に切り替えられる。
ステップＳ７１１においては、排気燃焼器８の出口温度Ｔ６が燃焼下限温度Ｋ２以下であるか否かを判定する。排気燃焼器８の出口温度Ｔ６が燃焼下限温度Ｋ２以下である場合には（Ｓ７１１：Ｙｅｓ）、排気燃焼器８の温度の低下を抑制させる必要があると判断して、Ｓ７１２に進む。一方、排気燃焼器８の出口温度Ｔ６が燃焼下限温度Ｋ２よりも大きい場合には（Ｓ７１１：Ｎｏ）、Ｓ７１３に進む。
ステップＳ７１２においては、弁１６を操作して、燃料電池スタック１から経路１２３に排出されるカソードオフガスを、経路１２４でなく排気経路１２９から燃料電池システム１００外へと排出する。このようにすることで、排気燃焼器８には、分岐経路１１５を介して起動燃焼器７から高温のカソードガスのみが供給されることになるので、排気燃焼器８の温度は低下が抑制され、酸化触媒反応が進行する温度範囲内となる。Ｓ７１２の処理を終えると、カソードオフガス排出経路の切替処理（Ｓ７１）を終了する。
ステップＳ７１３においては、排気燃焼器８の出口温度Ｔ６が燃焼上限温度Ｋ１以上であるか否かを判定する。排気燃焼器８の出口温度Ｔ６が燃焼上限温度Ｋ１以上である場合には、排気燃焼器８の温度の上昇を抑制する必要あると判断して、Ｓ７１４に進む。一方、排気燃焼器８の出口温度Ｔ６が燃焼下限温度Ｋ２よりも大きい場合には、排気燃焼器８は酸化触媒反応が進行する適切な温度範囲にあると判断して、カソードオフガス排出経路の切替処理（Ｓ７１）の処理を終了する。
ステップＳ７１４においては、弁１６を操作して、燃料電池スタック１から経路１２３に排出されるカソードオフガスを、排気経路１２９でなく経路１２４を介して排気燃焼器８へと供給する。このようにすることで、排気燃焼器８には、分岐経路１１５を介して起動燃焼器７から高温のカソードガスだけでなく、経路１２３、１２４を介して燃料電池スタック１から低温のカソードオフガスが供給されることになるので、排気燃焼器８の温度は上昇が抑制され、酸化触媒反応が進行する温度範囲内となる。Ｓ７１４の処理を終えると、カソードオフガス排出経路（Ｓ７１）の切替処理を終了する。
第１実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
第１実施形態の燃料電池スタック１を発電する燃料電池システム１００によれば、カソードガスを、経路１１１、１１２、１１３、１１４（カソードガス供給路）を介して燃料電池スタック１に供給するコンプレッサー５と、カソードガス供給路に設けられた起動燃焼器７（第１燃焼器）と、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスを燃焼させる排気燃焼器８（第２燃焼器）と、カソードガス供給路において起動燃焼器７の上流にて分岐し、起動燃焼器７の下流にて合流する分岐経路１１６（第１分岐路）と、カソードガス供給路における起動燃焼器７の下流にて分岐し、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが排気燃焼器８へと向かう経路１２３、１２４（カソードオフガス排出路）へと合流する分岐経路１１５（第２分岐路）とを有する。
また、燃料電池システム１００は、分岐経路１１６（第１分岐路）の遮断と導通とを切り替える弁１５（第１の弁）と、起動燃焼器７（第１燃焼器）からのカソードガスの排出先を、燃料電池スタック１、又は、分岐経路１１５（第２分岐路）を経た経路１２４（カソードオフガス排出路）のいずれかに切り替える弁１３（第２の弁）と、を備える。
燃料電池システム１００の停止処理が開始されると燃料電池スタック１の温度が低下するため、排気燃焼器８の温度が低下してしまい、排気燃焼器８にて適切に触媒燃焼反応が進行しないおそれがある。そこで、燃料供給停止処理（Ｓ２１）においては、弁１５を操作して分岐経路１１６を導通させることで、コンプレッサー５から供給されるカソードガスを、分岐経路１１６を介して燃料電池スタック１に供給する（第１分岐路制御ステップ：Ｓ２１３）。そして、弁１３を操作して、分岐経路１１５を導通させるとともに、起動燃焼器７から燃料電池スタック１へとカソードガスを供給されるカソードガスを、排気燃焼器８に供給する（第２分岐路制御ステップ：Ｓ２１４）。そして、排気燃焼器８を起動させる（第１燃焼器起動ステップ：Ｓ２１５）。
このようにすることで、燃料電池スタック１には分岐経路１１６を介して低温のカソードガスが供給される。したがって、燃料電池スタック１には起動燃焼器７からの高温のカソードガスが供給されないので、燃料電池スタック１を効率よく冷却することができる。
さらに、燃料電池スタック１が冷却されていたとしても、排気燃焼器８には起動燃焼器７を経た高温のカソードガスが供給されるので、排気燃焼器８の温度低下が抑制される。したがって、排気燃焼器８の触媒燃焼反応が適切に進行して、アノードオフガスに含まれる未燃ガスが燃料電池システム１００外に漏洩することが抑制される。
また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、経路１２３、１２４（カソードオフガス通路）における分岐経路１１５（第２分岐路）の合流点よりも上流にて分岐し、カソードオフガスを排気可能な排気経路１２９（排気路）を、さらに有する。
また、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１からのカソードオフガスの排出先を、排気燃焼器８（第２燃焼器）、又は、排気経路１２９（排気路）を経た燃料電池システム１００の外部のいずれかに切り替える弁１６（排気弁）を備える。
燃料電池システム１００の温度Ｔｃの冷却が進むと、カソードオフガスの温度が低下する。そのため、排気燃焼器８は、分岐経路１１５を介して起動燃焼器７からの高温の排気が供給されていたとしても、冷却中の燃料電池スタック１から低温のカソードオフガスが供給されるため、酸化触媒反応が進行しない温度になってしまう。そこで、燃料電池が所定の温度（排出経路変更温度Ｔｃ１）を下回る場合には、弁１６を制御して排気経路１２９を導通させる。このようにすることで、燃料電池スタック１から経路１２３へ排出される低温のカソードオフガスを、経路１２４を経て排気燃焼器８に供給するのでなく、排気経路１２９から燃料電池スタック１外へ排出させる（排気路変更ステップ：Ｓ２３、Ｓ２３１）。そのため、排気燃焼器８は、温度の低下が抑制されて適切な酸化触媒反応が進行する温度範囲となるので、触媒燃焼反応が適切に進行する。このようにすることで、アノードオフガスに含まれる未燃ガスが燃料電池システム１００外に漏洩することが抑制される。
なお、変形例として、排気燃焼器８の温度に応じて弁１６を操作することで、カソードオフガスを、排気経路１２９から燃料電池システム１００外へ排出するか、又は、経路１２４を介して排気燃焼器８へ供給するかの切り替え制御（排気路切替ステップ：Ｓ７１）がさらに行われてもよい。例えば、排気燃焼器８の温度が低くなり、触媒反応が進行可能な下限温度（燃焼下限温度）を下回ってしまった場合には（Ｓ７１１：Ｙｅｓ）、弁１６を制御して排気経路１２９を導通させることで、カソードオフガスを排気経路１２９から燃料電池システム１００外へ排出する（Ｓ７１２）。そのため、排気燃焼器８への低温のカソードオフガスの流入が抑制されて、排気燃焼器８の温度は触媒反応が進行可能な下限温度を上回るので、適切に酸化触媒反応が進行する。一方、排気燃焼器８の温度が高くなり、触媒反応が行われる上限温度（燃焼上限温度）を上回ってしまった場合には（Ｓ７１３：Ｙｅｓ）、弁１６を制御して排気経路１２９を導通させることで、起動燃焼器７から高温のカソードガスのみが分岐経路１１５を経て排気燃焼器８に供給される（Ｓ７１４）。そのため、排気燃焼器８の温度は酸化触媒反応が適切に進行可能な上限温度を下回り、適切に触媒反応が進行する。
また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、経路１１２（カソードガス供給路）における分岐経路１１６（第２分岐路）の分岐点よりも上流側に、排気燃焼器８（第２燃焼器）からの排気を利用した空気熱交換器６をさらに有する。
このような空気熱交換器６が設けられることにより、燃料電池システム１００の停止時には、空気熱交換器６にて加熱されたカソードガスが燃料電池スタック１に供給されることになる。そのため、燃料電池スタック１が急激に冷却されることが妨げられるので、燃料電池スタック１におけるアノード極などのクラックを防止することができる。
また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、経路１０３（アノードガス供給路）から分岐し、燃料電池スタック１から排気燃焼器８（第２燃焼器）までの間の経路１２１、１２２（アノードオフガス排出路）に合流する分岐経路１０５（第３分岐路）をさらに有する。
また、燃料電池システム１００は、カソードガスの供給先を、燃料電池スタック１、又は、分岐経路１０５（第３の分岐路）を経た経路１２４（アノードオフガス排出路）のいずれかに切り替える弁１１（第３の弁）を備える。
燃料電池システム１００の停止時に、弁１１を操作して分岐経路１０５を導通させると、燃料の供給を停止した後において燃料供給系統内に残る燃料を、燃料電池スタック１ではなく、排気燃焼器８に供給することができる（第３分岐路導通ステップ：Ｓ２５１）。したがって、燃料の供給の停止後においては、燃料電池スタック１へ燃料が全く供給されなくなるため、燃料電池スタック１の発電をより早く停止することができるので、燃料電池システム１００の停止時間を短くすることができる。さらに、燃料供給系統に残る燃料を排気燃焼器８にて使用できるので、燃料の使用量を抑制することができる。
（第２実施形態）
第２実施形態では、燃料電池スタック１を積極的に冷却させる例について説明する。
第２実施形態では、燃料電池スタック１を積極的に冷却させる例について説明する。
図９は、第２実施形態の燃料電池システム１００の通常運転時の構成を示す図である。この図に示した構成は、図１に示した第１実施形態の燃料電池システム１００の構成と比較すると、経路１１４が空気熱交換器６の上流から分岐している点が異なる。
図１０は、本実施形態の燃料電池システム１００における停止処理を示す図である。この図の処理は、図７に示した第１実施形態の他の停止制御処理と比較すると、ステップＳ２３の処理が削除されている。なお、燃料供給停止処理（Ｓ２１）、カソードオフガス排出経路の切替処理（Ｓ７１）、アノードガス供給停止処理（Ｓ２５）、終了処理（Ｓ２７）においては、第１実施形態と同じ処理が行われる。
このように、燃料供給停止処理（Ｓ２１）の後であって、燃料電池スタックの温度Ｔｃは停止温度Ｔｃ２となり（Ｓ２４：Ｙｅｓ）、アノードガス供給停止処理（Ｓ２５）が開始されるまでの間、Ｓ７１の切替処理が行われる。そのため、排気燃焼器８は、常に、酸化触媒反応が適切に進行する温度となるので、アノードオフガスに含まれる未燃ガスの大気への排出が抑制される。
第２実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
第２実施形態の燃料電池システム１００によれば、前記カソードガス供給路における第１分岐路の分岐点と起動燃焼器７（第１燃焼器）との間に、排気燃焼器８（第２燃焼器）からの排気を利用した空気熱交換器６をさらに有する。
このような構成となることにより、空気熱交換器６を介さない常温のカソードガスが燃料電池スタック１に供給されることになる。したがって、燃料電池スタック１を急冷できるので、燃料電池システム１００の停止時間を短くすることができる。
また、図１０に示した停止制御処理は、図７に示した第１実施形態の停止制御処理と比較すると、カソードオフガス排出経路の変更処理（Ｓ２３）が削除されている。このようにすることで、制御部１０の処理負荷を軽減することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
本国際出願は，２０１５年１２月１５日に日本国特許庁に出願された特願２０１５−２４４４８７に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
Claims (12)
- アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記カソードガスを、カソードガス供給路を介して前記燃料電池に供給するカソードガス供給部と、
前記カソードガス供給路に設けられる第１燃焼器と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスを燃焼させる第２燃焼器と、
前記カソードガス供給路において、前記第１燃焼器の上流から分岐して前記第１燃焼器の下流へと合流する第１分岐路と、
前記カソードガス供給路における前記第１燃焼器の下流から分岐し、前記燃料電池から前記カソードオフガスを前記第２燃焼器に排出するカソードオフガス排出路へと合流する第２分岐路と、
を有する燃料電池システム。 - 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記第１分岐路の遮断と導通とを切り替える第１の弁と、
前記第１燃焼器からの前記カソードガスの排出先を、前記燃料電池、又は、前記第２分岐路を経た前記カソードオフガス排出路のいずれかに切り替える第２の弁を、
さらに有する燃料電池システム。 - 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記カソードオフガス排出路における前記第２分岐路の合流点よりも上流から分岐して、前記カソードオフガスを前記燃料電池システムの外部へと排気する排気路を、
さらに有する燃料電池システム。 - 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池からの前記カソードオフガスの排出先を、前記第２燃焼器、又は、前記排気路を経た前記燃料電池システムの外部のいずれかに切り替える排気弁を、
さらに有する燃料電池システム。 - 請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記カソードガス供給路における前記第１分岐路の分岐点の上流に設けられ、前記カソードガスを加熱する熱交換機を、
さらに有する燃料電池システム。 - 請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記カソードガス供給路における前記第１分岐路の分岐点と前記第１燃焼器との間に、前記カソードガスを加熱する熱交換機を、
さらに有する燃料電池システム。 - 請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池へ前記アノードガスを供給するアノードガス供給路から分岐し、前記燃料電池から前記アノードオフガスを前記第２燃焼器に排出するアノードオフガス排出路に合流する第３分岐路を、
さらに有する燃料電池システム。 - 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードガスの供給先を、前記燃料電池、又は、前記第３分岐路を経た前記アノードオフガス排出路のいずれかに切り替える第３の弁を、
さらに有する燃料電池システム。 - アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する固体酸化物型の燃料電池と、
前記カソードガスを、カソードガス供給路を介して、前記燃料電池に供給するカソードガス供給部と、
前記カソードガス供給路に設けられる第１燃焼器と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガス及びカソードオフガスを燃焼させる第２燃焼器と、
前記カソードガス供給路において、前記第１燃焼器の上流から分岐して前記第１燃焼器の下流へと合流する第１分岐路と、
前記カソードガス供給路における前記第１燃焼器の下流から分岐し、前記燃料電池から前記カソードオフガスを前記第２燃焼器に排出するカソードオフガス排出路へと合流する第２分岐路と、
を有する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムの停止中に、
前記第１分岐路を導通させることで、前記カソードガス供給部から供給される前記カソードガスを、前記第１分岐路を介して前記燃料電池に供給する第１分岐路制御ステップと、
前記第２分岐路を導通させるとともに、前記カソードガス供給路における前記第１燃焼器から前記燃料電池までの間を遮断することで、前記カソードガス供給部から前記第１燃焼器を介して前記第２燃焼器に前記カソードガスを供給する第２分岐路制御ステップと、
前記第１燃焼器を起動する第１燃焼器起動ステップと、
を実行する制御方法。 - 請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
前記カソードオフガス排出路における前記第２分岐路の合流点よりも上流から分岐して、前記カソードオフガスを前記燃料電池システム外へと排気する排気路をさらに有し、
前記燃料電池システムの停止中に、
前記燃料電池が所定の温度を下回る場合には、前記排気路を導通させることで、前記燃料電池から前記排気路を介して前記燃料電池システム外へと前記カソードオフガスを排出させる排気路変更ステップを、
さらに実行する制御方法。 - 請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
前記カソードオフガス排出路における前記第２分岐路の合流点よりも上流から分岐して、前記カソードオフガスを前記燃料電池システム外へと排気する排気路をさらに有し、
前記燃料電池システムの停止中に、
前記第２燃焼器が燃焼上限温度を上回る場合には、前記排気路を遮断することで、前記燃料電池から前記第２燃焼器に前記カソードオフガスを排出させ、前記第２燃焼器が燃焼下限温度を下回る場合には、前記排気路を導通させることで、前記燃料電池から前記排気路を介して前記燃料電池システム外へと前記カソードオフガスを排出させる排気路切替ステップを、
さらに実行する制御方法。 - 請求項９から１１のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池へ前記アノードガスを供給するアノードガス供給路から分岐し、前記燃料電池からアノードオフガスを前記第２燃焼器に排出するアノードオフガス排出路に合流する第３分岐路をさらに有し、
前記燃料電池システムの停止中に、
第３分岐路を導通させることにより、前記アノードガスの前記燃料電池への供給を停止するとともに、前記アノードガスを前記第２燃焼器へ供給する第３分岐路導通ステップを、
さらに実行する制御方法。
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