JP6597799B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システム及びその制御方法に関する。

燃料電池システムでは、運転者等によるキースイッチのオフ操作などに伴い燃料電池の発電が停止される際には、アノード極の酸化劣化を防止するなどの観点から所定の燃料電池停止処理が行われる。例えば、ＵＳ６６２０５３５Ｂ２には、いわゆる固体酸化物型燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、システム停止時に燃料電池スタックに逆バイアス電圧を印加して燃料電池のアノード極の酸化劣化を防止するようにした燃料電池システムが開示されている。

上述したアノード極の酸化劣化を防止することは、燃料電池システムにおいて重要であるところ、上記逆バイアス電圧の印加以外にも有効なアノード極の酸化劣化を抑制する手法が望まれている。

したがって、本発明の目的は、燃料電池停止処理におけるアノード極の酸化を抑制し得る燃料電池システム及びその制御方法を提供することにある。

本発明のある態様によれば、燃料電池と、燃料及び酸化ガスを燃焼させ燃料電池のカソード入口に燃焼ガスを供給する燃焼器と、燃焼器へ燃料を供給する燃焼燃料供給装置と、燃焼器へ酸化ガスを供給する燃焼酸化ガス供給装置と、燃料電池のアノード出口からアノード排ガスを排出するアノード排ガス排出通路と、燃料電池のカソード出口からカソード排ガスを排出するカソード排ガス排出通路と、燃焼燃料供給装置による燃焼器への燃料の供給、及び燃焼酸化ガス供給装置による燃焼器への酸化ガスの供給を制御するコントローラと、を備える燃料電池システムが提供される。そして、この燃料電池システムでは、コントローラは、燃料電池システムの停止要求後に、燃焼器への燃料の供給及び酸化ガスの供給を実行する停止要求後燃焼器供給制御部と、燃料電池の停止要求後であって燃料及び酸化ガスの供給中にアノード極の酸素分圧がアノード極の酸化劣化が生じ得る領域であるか否か判断するための上限閾値以上となった場合に、他のアノード劣化抑制処理を行うアノード劣化抑制処理部と、を有する。

図１は、一実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、一実施形態によるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。 図３Ａは、時間経過に応じたカソード酸素分圧の変化を示すタイムチャートである。 図３Ｂは、時間経過に応じたアノード酸素分圧の変化を示すタイムチャートである。 図４は、一実施形態によるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。 図５は、一実施形態によるアノード酸素分圧の演算方法を説明するフローチャートである。 図６は、空気過剰率とカソード酸素分圧の関係を示すマップの一例である。 図７は、スタック温度、アノード酸素分圧、及び上限閾値の関係を示すグラフである。 図８は、一実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 図９は、一実施形態によるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。 図１０は、逆電圧印加モードの流れを示すフローチャートである。 図１１は、一実施形態による検査モードの流れを示すフローチャートである。 図１２Ａは、一実施形態によるシステム停止処理後におけるアノード酸素分圧の時間変化を示すタイムチャートである。 図１２Ｂは、一実施形態によるシステム停止処理後におけるスタック温度の時間変化を示すタイムチャートである。 図１３は、逆電圧印加処理における逆電圧印加用ＤＣ−ＤＣコンバータの消費電力の時間変化を示すタイムチャートである。 図１４は、一実施形態によるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。 図１５は、新規燃料供給モードの流れを示すフローチャートである。 図１６は、一実施形態による検査モードの流れを示すフローチャートである。

以下、図面等を参照して、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、本実施形態による燃料電池システム１００の主要構成を示す概略構成図である。

図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料ガス（アノードガス）及び酸化ガスとしての空気（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スタック１０を備える固体酸化物型燃料電池システムであり、車両等に搭載される。

燃料電池スタック１０は、複数の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を積層した積層電池である。一の固体酸化物型燃料電池（燃料電池セル）は、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層を、燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極により挟み込むことにより構成されている。例えば、燃料ガスは水素及び炭化水素等を含むガスである。

また、燃料電池スタック１０のアノード電極内には、アノード入口１０ａから供給される燃料ガスが通過し、使用後のアノード排ガスをアノード出口１０ｃから排出するアノード流路（アノード極通路）が形成されている。また、燃料電池スタック１０のカソード電極内には、カソード入口１０ｂから供給される空気が通過し、使用後のカソードオフガスをカソード出口１０ｄから排出するカソード流路（カソード極通路）が形成されている。

さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給する燃料供給機構２０と、燃料ガスと空気を燃焼させる起動燃焼機構３０と、燃料電池スタック１０に空気を供給する空気供給機構４０と、燃料電池スタック１０から排出されたアノード排ガス及びカソード排ガスを排気する排気機構５０と、燃料電池スタック１０との間で電力の入出力を行う電力機構６０から構成される。さらに、燃料電池システム１００は、システム全体の動作を統括的に制御するコントローラ８０を備えている。

燃料供給機構２０は、燃料供給通路２１と、燃料タンク２２と、フィルタ２３と、ポンプ２４と、インジェクタ２５と、蒸発器２６と、熱交換器２７と、改質器２８と、調圧弁２９と、を備えている。

燃料供給通路２１は、燃料タンク２２と、燃料電池スタック１０のアノード入口１０ａとを接続する通路である。

燃料タンク２２は、例えばエタノールと水を混合させた改質用の液体燃料を蓄える容器である。

フィルタ２３は、燃料タンク２２とポンプ２４との間の燃料供給通路２１に配置される。フィルタ２３は、ポンプ２４に吸引される前の改質用燃料に含まれる異物等を除去する。

ポンプ２４は、燃料タンク２２よりも下流側の燃料供給通路２１に設けられる。ポンプ２４は、燃料タンク２２内に蓄えられた改質用燃料を吸引し、当該燃料をインジェクタ２５等に供給する。なお、ポンプ２４の出力制御をコントローラ８０により実行するもできる。

インジェクタ２５は、ポンプ２４と蒸発器２６との間の燃料供給通路２１に配置される。インジェクタ２５は、ポンプ２４から供給された燃料を蒸発器２６内に噴射供給する。

蒸発器２６は、インジェクタ２５よりも下流側の燃料供給通路２１に設けられる。蒸発器２６は、インジェクタ２５から供給された燃料を気化させ、熱交換器２７に供給する。蒸発器２６は、後述する排気燃焼器５３から排出される排気の熱を利用して燃料を気化させる。

熱交換器２７は、蒸発器２６よりも下流側の燃料供給通路２１に設けられ、排気燃焼器５３に隣接するように配置される。熱交換器２７は、排気燃焼器５３から伝達してくる熱を利用し、蒸発器２６において気化した燃料をさらに加熱する。

調圧弁２９は、蒸発器２６と熱交換器２７との間の燃料供給通路２１に設けられる。調圧弁２９は、熱交換器２７に供給される気化燃料の圧力を調整する。調圧弁２９の開度はコントローラ８０によって制御される。

改質器２８は、熱交換器２７と燃料電池スタック１０との間の燃料供給通路２１に設けられる。改質器２８は、当該改質器２８内に設けられた触媒を用いて燃料を改質する。改質用燃料は、改質器２８での触媒反応により、水素や炭化水素、一酸化炭素等を含む燃料ガスに改質される。このように改質された燃料ガスは、高温状態のまま燃料電池スタック１０のアノード入口１０ａを介してアノード極通路内に供給される。

なお、燃料供給通路２１は、当該燃料供給通路２１から分岐する分岐路７１，７２を備える。分岐路７１は、ポンプ２４とインジェクタ２５との間の燃料供給通路２１から分岐し、拡散燃焼器３１に燃料を供給するインジェクタ７１Ａに接続する。分岐路７１には、当該分岐路７１を開閉する開閉弁７１Ｂが設けられている。また、インジェクタ７１Ａには、液体燃料を気化させるための加熱装置として電気ヒータ７１Ｃが設置されている。

分岐路７２は、ポンプ２４とインジェクタ２５との燃料供給通路２１から分岐し、触媒燃焼器３２に燃料を供給するインジェクタ７２Ａに接続する。分岐路７２には、当該分岐路７２を開閉する開閉弁７２Ｂが設けられている。

上述した開閉弁７１Ｂ，７２Ｂの開度はコントローラ８０によって制御される。本実施形態において、開閉弁７１Ｂ，７２Ｂは、燃料電池システム１００の起動時や停止時に開閉制御される。

次に、空気供給機構４０及び起動燃焼機構３０について説明する。

空気供給機構４０は、空気供給通路４１と、フィルタ４２と、空気ブロア４３と、熱交換器４４と、スロットル４５等を備えている。また、起動燃焼機構３０は、拡散燃焼器３１及び触媒燃焼器３２等を備えている。

空気供給通路４１は、空気ブロア４３と、燃料電池スタック１０のカソード入口１０ｂとを接続する通路である。

空気ブロア４３は、フィルタ４２を通じて外気（空気）を取り入れ、取り入れた空気をカソードガスとして燃料電池スタック１０等に供給する空気供給装置である。本実施形態では、空気ブロア４３が送り出す空気流量をコントローラ８０により制御することも可能である。なお、フィルタ４２は、空気ブロア４３に取り込まれる前の空気に含まれる異物を除去する。

熱交換器４４は、空気ブロア４３よりも下流側の空気供給通路４１に設けられる。熱交換器４４は、排気燃焼器５３から排出された排気の熱を利用して、空気を加熱する装置である。熱交換器４４で加熱された空気は、起動燃焼機構３０の一部を構成する拡散燃焼器３１に供給される。

スロットル４５は、空気ブロア４３と熱交換器４４との間の空気供給通路４１に設けられている。スロットル４５は開度調節可能に構成されており、その開度に応じて空気流量が調整される。スロットル４５の開度はコントローラ８０によって制御される。

拡散燃焼器３１は、熱交換器４４よりも下流側の空気供給通路４１に配置される。システム起動時には、空気ブロア４３からの空気と、インジェクタ７１Ａから噴射された燃料が拡散燃焼器３１内に供給される。インジェクタ７１Ａから噴射される燃料は電気ヒータ７１Ｃで加熱され、気化した状態で拡散燃焼器３１に供給される。

起動終了後には、燃料の供給及び着火装置の作動が停止され、空気ブロア４３から供給された空気は拡散燃焼器３１を通過して触媒燃焼器３２に供給される。

触媒燃焼器３２は、拡散燃焼器３１と燃料電池スタック１０との間の空気供給通路４１に設けられる。触媒燃焼器３２は内部に触媒を備えており、当該触媒を用いて高温の燃焼ガスを生成する装置である。

触媒燃焼器３２には燃料電池スタック１０の起動時に行われる暖機運転において、空気供給通路４１からの空気と、インジェクタ７２Ａから噴射された燃料が触媒燃焼器３２内に供給される。触媒燃焼器３２の触媒は予熱バーナにより加熱され、加熱された触媒上で空気と燃料が燃焼して燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、酸素をほとんど含まない高温の不活性ガスであって、燃料電池スタック１０に供給され、当該燃料電池スタック１０等を加熱する。これにより、燃料電池スタック１０の温度を所望の作動温度まで上昇させることができる。
なお、暖機が終了して通常運転に移行すると、触媒燃焼器３２への燃料供給は停止され、触媒燃焼器３２内における燃焼は一時的に停止する。

上述のように、触媒燃焼器３２は、本来、燃料電池スタック１０の暖機運転時に燃焼ガスを燃料電池スタック１０に供給する起動燃焼器として用いられるものであるが、本実施形態では、システム停止要求後のシステム停止処理中においても、燃料電池スタック１０のカソード入口１０ｂに燃焼ガスを供給する燃焼器として用いられる。このシステム停止処理中における燃料電池スタック１０のカソード入口１０ｂに燃焼ガスの供給については、後に詳細に説明する。

なお、上記起動時、暖機運転時、及びシステム停止処理中以外の通常運転時においては、分岐路７１，７２を介した拡散燃焼器３１及び触媒燃焼器３２への燃料の供給は停止され、空気ブロア４３からの空気は拡散燃焼器３１及び触媒燃焼器３２を通過して燃料電池スタック１０に供給される。

次に、排気機構５０について説明する。排気機構５０は、アノード排ガス排出通路５１と、カソード排ガス排出通路５２と、排気燃焼器５３と、合流排気通路５４等を備えている。

アノード排ガス排出通路５１は、燃料電池スタック１０内のアノード出口１０ｃと排気燃焼器５３のアノード側入口部とを接続する。アノード排ガス排出通路５１は、燃料電池スタック１０の燃料流路から排出される燃料ガスを含む排出ガス（アノード排ガス）を流す通路である。

カソード排ガス排出通路５２は、燃料電池スタック１０内のカソード出口１０ｄと排気燃焼器５３のカソード側入口部とを接続する。カソード排ガス排出通路５２は、燃料電池スタック１０内のカソード流路から排出される排出ガス（カソード排ガス）を流す通路である。

排気燃焼器５３は、アノード排ガス排出通路５１及びカソード排ガス排出通路５２から供給されて合流したアノード排ガスとカソード排ガスを触媒燃焼させ、二酸化炭素や水を主成分とする排気を生成する。

排気燃焼器５３は熱交換器２７と隣接するように配置されているため、排気燃焼器５３の触媒燃焼による熱は熱交換器２７に伝達される。このように熱交換器２７に伝達された熱は、燃料を加熱するために使用される。

排気燃焼器５３のガス出口部（下流端）には、合流排気通路５４が接続されている。排気燃焼器５３から排出された排気は、合流排気通路５４を通じて、燃料電池システム１００の外部に排出される。合流排気通路５４は蒸発器２６及び熱交換器４４を通過するように構成されており、蒸発器２６及び熱交換器４４は合流排気通路５４を通過する排気により加熱される。

次に、電力機構６０について説明する。電力機構６０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１と、バッテリ６２と、駆動モータ６３と、インバータ（図示せず）と、を備えている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ６１は、燃料電池スタック１０に電気的に接続され、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧してバッテリ６２又は駆動モータ６３に電力を供給する。バッテリ６２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１から供給された電力を充電したり、駆動モータ６３に電力を供給したりするよう構成されている。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１により燃料電池スタック１０の出力電圧が適宜昇降される。

駆動モータ６３は、三相交流モータであって、車両の動力源として機能する。駆動モータ６３は、図示しないインバータを介してバッテリ６２及びＤＣ−ＤＣコンバータ６１に接続されている。この駆動モータ６３は、車両の制動時には回生電力を発生させ。この回生電力は例えばバッテリ６２の充電に利用される。

そして、上記燃料電池システム１００は、さらに、電流センサ８１、電圧センサ８２、及びスタック温度センサ８３等の各種センサ類を備えている。

電流センサ８１は、燃料電池スタック１０から取り出される取り出し電流としての出力電流（以下では「スタック電流」とも記載する）を検出する。電圧センサ８２は、燃料電池スタック１０の出力電圧（以下では「スタック電圧Ｖ」とも記載する）、つまりアノード電極側端子とカソード電極側端子の間の端子間電圧を検出する。

スタック温度センサ８３は、燃料電池スタック１０に設けられ、当該燃料電池スタック１０の温度（以下では「スタック温度Ｔｓ」とも記載する）を検出する。

次に、上述のようにシステム全体の動作を統括的に制御するコントローラ８０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。コントローラ８０は、特定のプログラムを実行することにより燃料電池システム１００を制御するための処理を実行する。

コントローラ８０には、電流センサ８１、電圧センサ８２、及びスタック温度センサ８３等の各種センサからの信号の他、外気温度Ｔａを検出する外気温度センサ８５、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ８６等の車両状態を検出するセンサからの信号が入力される。また、コントローラ８０はこれら信号に基づいて各種弁やインジェクタの開度制御や各アクチュエータの出力制御を行う。

特に、本実施形態では、コントローラ８０は、例えば、図示しないキースイッチのオフ操作の検出等の燃料電池システム１００の停止要求を受けると、システム停止処理を実行する。コントローラ８０は、このシステム停止処理において、分岐路７２の開閉弁７２Ｂ等の燃料供給機構２０の燃料系アクチュエータ（燃焼燃料供給装置）及びスロットル４５等の空気供給機構４０の空気系アクチュエータ（燃焼酸化ガス供給装置）を制御して触媒燃焼器３２への燃料の供給及び空気の供給を実行する。すなわち、コントローラ８０は、燃料電池システム１００の停止要求後に、触媒燃焼器３２への燃料の供給及び空気の供給を実行する停止要求後燃焼器供給制御部として機能する。

さらに、本実施形態のコントローラ８０は、燃料電池スタック１０の起動時における暖機運転中に、分岐路７２の開閉弁７２Ｂを開放するなどの燃焼燃料供給装置の制御及びスロットル４５を開放するなどの燃焼酸化ガス供給装置の制御を適宜実行し、燃料及び空気を触媒燃焼器３２に供給する。これにより、触媒燃焼器３２からの燃焼ガスが燃料電池スタック１０に供給される。そして、コントローラ８０は、暖機運転の終了後には、燃焼酸化ガス供給装置を制御して触媒燃焼器３２への空気の供給を停止する。

以上説明した構成を有する燃料電池システム１００では、車両の運転者のキーオフ操作やバッテリ６２の満充電等をトリガとするシステム停止要求に応じて駆動モータ６３への電力供給が絶たれ、システム停止要求後の燃料電池停止処理としてのシステム停止処理が実行される。このシステム停止処理では、燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給が停止される一方、燃料電池スタック１０への空気の供給を継続し、当該燃料電池スタック１０を冷却する。以下では、システム停止処理について説明する。

図２は、本実施形態によるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。

ステップＳ１１０において、コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが、システム停止処理を終了すべき停止処理終了温度Ｔｅ以下であるか否かを判定する。ここで、停止処理終了温度Ｔｅは、燃料電池スタック１０内においてアノード極の酸化反応等の好ましくない反応が生じないと考えられる温度である。すなわち、停止処理終了温度Ｔｅは、燃料電池スタック１０の冷却目標温度（例えば約３００℃）である。

スタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅ以下であると判定されると、ステップＳ１２０に進み、コントローラ８０は、システム停止処理を終了する。

一方で、ステップＳ１１０で、スタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅよりも大きいと判定されると、ステップＳ１３０に進み、所定流量の空気を触媒燃焼器３２に供給する。具体的には、コントローラ８０は、システム停止処理前のスロットル４５の開度を増加させる。

ステップＳ１４０において、コントローラ８０は、触媒燃焼器３２へ供給する空気流量及び予め設定される酸化ガスの過剰率としての空気過剰率（ストイキ比）λに基づいて、触媒燃焼器３２へ供給すべき燃料ガス流量を算出する。

ここで、空気過剰率λとは、触媒燃焼器３２に供給される燃料ガス流量に対して、触媒燃焼器３２へ供給される空気の流量が、当該空気を当該燃料によって過不足なく燃焼させる観点から、どの程度過剰であるかを表す指標である。すなわち、空気過剰率λは、例えば、（実際に供給される空気の質量流量）／（燃料ガスを完全燃焼させるのに必要な空気の質量流量）として求められる。

したがって、空気過剰率＝１となるように燃料ガスが触媒燃焼器３２に供給される場合には、触媒燃焼器３２に供給される空気が燃料ガスにより丁度過不足無く燃焼されることとなる。また、空気過剰率＜１となるように燃料ガスが触媒燃焼器３２に供給される場合には、空気に対して燃料ガスの量が余剰となる。さらに、空気過剰率＞１となるように燃料ガスが触媒燃焼器３２に供給される場合には、空気に対して燃料ガスが不足することとなる。

本実施形態では、アノード極の酸化劣化を防止する観点から空気過剰率λは１以下に設定されることが好ましい。これにより、触媒燃焼器３２に供給される空気は燃焼により全て消費されることとなるので、アノード極の酸化劣化を抑制する効果が大きくなる。特に、空気過剰率λ＝１と設定することが最も好ましい。

ステップＳ１５０において、ステップＳ１４０で算出した燃料ガス流量に基づいて、触媒燃焼器３２への燃料の供給が行われる。

これにより、触媒燃焼器３２内で燃料ガスと空気が燃焼して不活性の燃焼ガスが生成される。そして、この燃焼ガスは、空気供給通路４１を通って触媒燃焼器３２から燃料電池スタック１０内のカソード入口１０ｂに供給されることとなる。

なお、システム停止要求後の一定時間の間においては、触媒燃焼器３２内は高温に保たれているので、当該触媒燃焼器３２のバーナを作動させなくとも燃焼ガスと空気の燃焼反応が生じる。しかしながら、システム停止要求後にある程度時間が経過することで、触媒燃焼器３２内の温度が所望の温度よりも低くなっている場合には、触媒燃焼器３２のバーナを作動させて触媒燃焼器３２内を加熱するようにしても良い。

上述のように、触媒燃焼器３２から燃料電池スタック１０内のカソード入口１０ｂに供給されることで、燃料電池スタック１０のカソード極通路内における高酸素濃度の空気の一部がカソード排ガス排出通路５２を介して当該カソード極通路内から排出される。すなわち、燃料電池スタック１０のカソード極通路内における高酸素濃度の空気の一部が触媒燃焼器３２からの燃焼ガスで置換されて、当該カソード極通路内の酸素分圧（以下では、「カソード酸素分圧」とも記載する）が低下する。

したがって、このカソード極通路から燃料電池スタック１０のアノード極通路内にクロスリークするガスの酸素分圧も低下することとなる。これにより、アノード極通路内における酸素分圧（以下では、「アノード酸素分圧」とも記載する）が低下する。

なお、以下では、上述のステップＳ１３０〜ステップＳ１５０のように、触媒燃焼器３２に空気及び燃料を供給して、触媒燃焼器３２で生成された不活性の燃焼ガスを燃料電池スタック１０のカソード入口１０ｂに供給する処理を「燃焼ガス置換処理」とも記載する。

次に、燃焼ガス置換処理によるカソード酸素分圧の低下、及びこれによりもたらされるアノード酸素分圧の低下についてより詳細に説明する。

図３Ａは、時間経過に応じたカソード酸素分圧の変化を示すタイムチャートであり、図３Ｂは、時間経過に応じたアノード酸素分圧の変化を示すタイムチャートである。なお、図３Ａ及び図３Ｂでは大気中の酸素分圧の値を点線で示している。また、図３Ａ及び図３Ｂにおいては、参考のため、燃焼ガス置換処理を行わない場合におけるアノード酸素分圧の変化を比較例として破線で示している。さらに、図３Ｂでは、特に、燃料電池スタック１０の耐久性やパフォーマンス維持の観点から許容される以上にアノード極の酸化劣化が生じ得るアノード酸素分圧の領域を、酸化劣化領域Ｄとして斜線で示している。

図３Ｂに示すように、酸化劣化領域Ｄは、システム停止処理の進行度を表す時間（スタック温度Ｔｓの減少）に応じて変化している。すなわち、酸化劣化領域Ｄは、システム停止処理の開始時付近（すなわち、システムの停止要求の直後）で大きく、システム停止処理が進行するほど小さくなっている。

このようにシステム停止処理の開始時付近で酸化劣化領域Ｄが相対的に大きい理由は、システム停止処理の初期段階では、まだスタック温度Ｔｓが高くアノード極で酸化反応が進行し易いエネルギー状態にあるためである。一方で、システム停止処理がある程度進行した後半段階では、スタック温度Ｔｓが低下しているためシステム停止処理が終了するまでの時間が比較的短い。この場合、比較的アノード極で酸化反応が進行しにくく酸化劣化が生じにくくなるので、酸化劣化領域Ｄが相対的に小さくなる。

さらに、図３Ａに破線で示した比較例のカソード酸素分圧は、システム停止処理の進行に関わらず、ほぼ大気中の酸素分圧と等しい値をとっている。これに対して、図３Ａの実線で示した本実施形態では、燃焼ガス置換処理が行われることで、カソード酸素分圧が大気中酸素分圧と比較して経時的に低下していき、大気中の酸素分圧よりも低い一定値に近づく。

一方で、図３Ｂに破線で示した燃焼ガス置換処理を行っていない場合のアノード酸素分圧は、時刻０（システム停止処理開始時）においてはアノード極通路内が燃料ガスで満たされているため、ゼロに近い値となっている。しかし、システム停止処理が進行していくと、燃料電池スタック１０への燃料の供給が停止されることから、カソード極からアノード極へのクロスリークやアノード排ガス排出通路５１からアノード極への逆拡散の影響でアノード酸素分圧が時間経過とともに増加する。特に、システム停止処理がある程度進行すると、このアノード酸素分圧は上昇して酸化劣化領域Ｄに侵入している。

これに対して、図３Ｂに実線で示した燃焼ガス置換処理を行った本実施形態のアノード酸素分圧は、燃焼ガス置換処理を行っていない場合のアノード酸素分圧と比較して低くなっており、システム停止処理の進行に応じた増加量が小さい。これにより、システム停止処理が進行しても、このアノード酸素分圧は酸化劣化領域Ｄに侵入することなく変化する。

上述の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を奏することができる。

本実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池としての燃料電池スタック１０と、燃料及び酸化ガスを燃焼させ燃料電池スタック１０のカソード入口１０ｂに燃焼ガスを供給する燃焼器としての触媒燃焼器３２と、触媒燃焼器３２へ燃料を供給する燃焼燃料供給装置としての燃料タンク２２、ポンプ２４、分岐路７２、インジェクタ７２Ａ、及び開閉弁７２Ｂと、触媒燃焼器３２へ酸化ガスとしての空気を供給する燃焼酸化ガス供給装置としての空気ブロア４３、及びスロットル４５と、燃料電池スタック１０のアノード出口１０ｃからアノード排ガスとしてのアノードオフガスを排出するアノード排ガス排出通路５１と、燃料電池スタック１０のカソード出口１０ｄからカソード排ガスとしてのカソードオフガスを排出するカソード排ガス排出通路５２と、燃焼燃料供給装置による触媒燃焼器３２への燃料の供給、及び燃焼酸化ガス供給装置による触媒燃焼器３２への酸化ガスの供給を制御するコントローラ８０と、を備える。

そして、この燃料電池システム１００では、コントローラ８０は、燃料電池システム１００の停止要求後に、触媒燃焼器３２への燃料の供給及び酸化ガスの供給を実行する停止要求後燃焼器供給制御部として機能する（ステップＳ１３０〜ステップＳ１５０）。

すなわち、本実施形態では、燃料電池システム１００の停止要求後に行われるシステム停止処理中に、燃料電池システム１００内の触媒燃焼器３２に燃料及び空気を供給し、該触媒燃焼器３２で生成される燃焼ガスを燃料電池スタック１０のカソード入口１０ｂに供給する。

これによれば、燃料電池システム１００の停止要求後のシステム停止処理中において、燃料及び空気が触媒燃焼器３２に供給され、触媒燃焼器３２内における燃焼で生成された燃焼ガスが、燃料電池スタック１０のカソード入口１０ｂに供給されることとなる。したがって、燃料電池スタック１０内のカソード極通路に燃焼ガスが供給され、カソード極通路内の高酸素濃度のガスがカソード排ガス排出通路５２等を介して当該カソード極通路内から排出されて燃焼ガスに置き換わり、そのカソード酸素分圧が低下する。結果として、システム停止処理中においては、クロスリークにより燃焼ガスで置換された低酸素分圧のカソード極通路内のガスがアノード極通路内に侵入し、燃料電池スタック１０内のアノード酸素分圧の上昇が抑制されることとなる。

また、このようにカソード極通路内からアノード極通路内に燃焼ガスが侵入することで、アノード極通路内の圧力を増加させてアノード排ガス排出通路５１からの逆拡散を妨げることができる。これによっても、当該逆拡散に起因するアノード極内の酸素分圧の増加を抑制することができる。

したがって、システムの停止処理中における燃料電池スタック１０のアノード極の酸化劣化が防止される。

特に、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、触媒燃焼器３２は、燃料電池スタック１０の起動時に実行される暖機運転中に燃料及び空気の供給を受けて該燃料及び空気を燃焼させてカソード入口１０ｂに燃焼ガスを供給する燃料電池スタック１０の起動燃焼器３０である。そして、コントローラ８０は、暖機運転の終了後に、起動燃焼器３０（触媒燃焼器３２）への空気の供給を停止する。

すなわち、本実施形態では、本来であれば、燃料電池スタック１０の起動時に実行される暖機運転中に用いる起動燃焼器としての触媒燃焼器３２を用いて、上述したシステム停止処理中における燃料電池スタック１０への燃焼ガスの供給を実行することができる。

これにより、既存の起動用の触媒燃焼器３２、及びこれに付随する燃料や空気の供給機構を用いて燃料電池システム１００の構成の複雑化させることなく、本実施形態に係るシステム停止処理を実行することができる。特に、触媒燃焼器３２が上記暖機運転中に用いられていることで、暖機運転が終了して通常運転に移行し、その後、システム停止要求が発せられた際には、概して触媒燃焼器３２内が高温状態に維持されている。したがって、システム停止要求後のシステム停止処理中において燃料及び空気が触媒燃焼器３２に供給するだけで、当該触媒燃焼器３２のバーナを作動させることなく燃焼ガスと空気を燃焼させることができる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、停止要求後燃焼器供給制御部として機能するコントローラ８０は、燃料に対する空気の過剰率である空気過剰率λが燃料電池スタック１０のアノード極の酸化劣化を抑制する所定値となるように、燃料の供給量を調節する。これにより、燃料電池スタック１０のアノード極の酸化劣化をより確実に防止することができる。

特に、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、空気過剰率λが１となるように燃料の供給量を調節することが好ましい。これにより、触媒燃焼器３２から燃料電池スタック１０のカソード入口１０ｂに供給される燃焼ガスに空気が混入することが抑制されるので、結果としてアノード極へクロスリークするガスの酸素濃度も低下させることができ、アノード極の酸化劣化がより好適に抑制される。さらに、アノード極内に余剰の燃料が残留することも防止することができる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、触媒燃焼器３２は燃料電池スタック１０のカソード入口１０ｂに空気を供給する酸化ガス供給通路としての空気供給通路４１に配置される。これにより、燃焼酸化ガス供給装置としての空気ブロア４３を同一の空気供給源としつつ同一の空気供給通路４１を介して、触媒燃焼器３２への空気供給及び燃料電池スタック１０のカソード入口１０ｂへの空気供給を実行することができるので、システム構成の複雑化が抑制される。

そして、以上説明したように本実施形態では、燃料電池システム１００における燃料電池スタック１０の停止処理中に、燃料電池システム１００内の触媒燃焼器３２に燃料及び空気を供給し、触媒燃焼器３２で生成される燃焼ガスを燃料電池スタック１０のカソード入口１０ｂに供給する燃料電池システム１００の制御方法が実行される。

これによれば、燃料電池スタック１０の停止処理中に、燃料及び空気が触媒燃焼器３２に供給され、触媒燃焼器３２内における燃焼で生成された燃焼ガスが、燃料電池スタック１０のカソード入口１０ｂに供給されることとなる。したがって、燃料電池スタック１０内のカソード極通路に燃焼ガスが供給され、カソード極通路内の高酸素濃度のガスがカソード排ガス排出通路５２等を介して当該カソード極通路内から排出されて燃焼ガスに置き換わり、そのカソード酸素分圧が低下する。結果として、燃料電池スタック１０の停止処理中に、クロスリークにより燃焼ガスで置換された低酸素分圧のカソード極通路内のガスがアノード極通路内に侵入し、燃料電池スタック１０内のアノード酸素分圧の上昇が抑制されることとなる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態で説明した要素と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図４は、本実施形態によるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。

図示のように、ステップＳ２１０において、システム停止処理が開始された後に、コントローラ８０は、燃料電池スタック１０内におけるアノード酸素分圧ＰａＯ２を演算する。

図５は、本実施形態におけるアノード酸素分圧ＰａＯ２の演算方法を説明するフローチャートである。

図示のように、ステップＳ２１１で、コントローラ８０は、スタック温度センサ８３により検出されたスタック温度Ｔｓ及び電圧センサ８２により検出されたスタック電圧Ｖを取得する。

ステップＳ２１２において、コントローラ８０はスタック温度Ｔｓ及びスタック電圧Ｖから、カソード酸素分圧ＰｃＯ２を算出する。具体的に、カソード酸素分圧ＰｃＯ２は、システム停止処理後に、空気過剰率λから所定のマップにしたがい定められる。

図６は、空気過剰率λとカソード酸素分圧ＰｃＯ２の関係を示すマップの一例である。図に示すマップを用いることで、空気過剰率λからカソード酸素分圧ＰｃＯ２を求めることができる。

ここで、図６のマップから明らかなように、空気過剰率λ＞１の領域では、触媒燃焼器３２の燃焼において燃料供給量に対して空気供給量が過剰であるため、カソード酸素分圧ＰｃＯ２が比較的大きな値となっている。一方で、空気過剰率λ≦１の領域では、触媒燃焼器３２の燃焼において燃料が空気供給量に対し過不足なく供給されているか、又は不足している。このため、空気過剰率λ≦１の領域ではカソード酸素分圧ＰｃＯ２がゼロに近い値となる。

そして、本実施形態では、空気過剰率λ≦１のある値でカソード酸素分圧ＰｃＯ２を求め、後述するアノード酸素分圧ＰａＯ２の算出に用いる。

図５に戻り、ステップＳ２１３において、コントローラ８０はアノード酸素分圧ＰａＯ２を算出する。具体的にコントローラ８０は、スタック電圧Ｖ、スタック温度Ｔｓ、及びステップＳ２１２で算出したカソード酸素分圧ＰｃＯ２に基づいて、下記の式からアノード酸素分圧ＰａＯ２を算出する。

ただし、式中、ｌｎは自然対数、Ｒは気体定数、Ｆはファラデー定数を意味する。また、Ｔはスタック温度Ｔｓである。

ここで、本実施形態では、算出されたアノード酸素分圧ＰａＯ２は、燃料電池スタック１０の耐久性やパフォーマンス維持の観点から許容される以上にアノード極の酸化劣化が生じ得るという観点から定められる上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）未満となる必要がある。

これにより、アノード酸素分圧ＰａＯ２は、図３Ｂにおいて説明した酸化劣化領域Ｄに含まれない。したがって、本実施形態では、アノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）未満となるように、上記空気過剰率λを定める。特に、空気過剰率λは１以下であることが好ましく、１であることが最も好ましい。

一方、既に説明したように、酸化劣化領域Ｄはシステム停止処理が進行するにつれて小さくなる。したがって、上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）の値は、システム停止処理が進行してスタック温度Ｔｓが低くなるにつれて高くなる。すなわち、スタック温度Ｔｓが相対的に低い場合には、アノード酸素分圧ＰａＯ２が値として大きくとも上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）を越え難くなる。

図７は、スタック温度Ｔｓ、アノード酸素分圧ＰａＯ２、及び上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）の関係を示すグラフである。なお、図の斜線部は酸化劣化領域Ｄを意味している。図に示す上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）の曲線から明らかなように、システム停止処理が進行してスタック温度Ｔｓが低下するほど上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）の値が大きくなる。これは既に説明したように、システム停止処理が初期段階であるほどアノード酸素分圧ＰａＯ２が高くアノード酸化劣化の可能性が高くなり、システム停止処理が進行するほどアノード酸素分圧ＰａＯ２が高くともアノード酸化劣化が生じ難くなることによる。

図４に戻り、ステップＳ２２０において、コントローラ８０は、燃料電池スタック１０の放熱量を演算する。具体的には、コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓ及び外気温度Ｔａに基づいて、スタック構成部材の熱容量等の物性を加味して燃料電池スタック１０の放熱量Ｑｓを演算する。

ステップＳ２３０において、コントローラ８０は、ステップＳ２２０で演算した放熱量Ｑｓに基づいて、触媒燃焼器３２に供給する燃料の流量を演算する。具体的には、コントローラ８０は、触媒燃焼器３２による燃焼で生成される熱量がステップＳ２２０で演算した燃料電池スタック１０の放熱量Ｑｓ未満の熱量となるように燃料流量を演算する。

このように、触媒燃焼器３２に供給する燃料の流量を演算することで、触媒燃焼器３２で生成される燃焼ガスの熱量が燃料電池スタック１０の放熱量Ｑｓを越えないので、当該燃焼ガスを燃料電池スタック１０に供給していても、燃料電池スタック１０を冷却することができる。すなわち、触媒燃焼器３２を作動させて生成した燃焼ガスを燃料電池スタック１０に供給しつつも、燃料電池スタック１０の停止処理（冷却）を行うことが可能となる。

ステップＳ２４０において、所定流量の空気を触媒燃焼器３２に供給する。具体的には、本実施形態では、コントローラ８０は、燃焼酸化ガス供給装置である空気ブロア４３の出力流量が当該空気ブロア４３の仕様上設定し得る最低流量となるように、空気ブロア４３の出力を調節する。なお、触媒燃焼器３２に供給する空気流量を所望流量にするに調節するにあたり、空気ブロア４３の出力に代えて又はこれとともに、併せてスロットル４５の開度を適宜調節しても良い。

ステップＳ２５０において、コントローラ８０は、燃料を触媒燃焼器３２に供給する。これにより、触媒燃焼器３２内で燃料と空気が燃焼して燃焼ガスが生成され、この生成された燃焼ガスが燃料電池スタック１０内のカソード極通路内に送り込まれる。すなわち、燃焼ガス置換処理が実行される。なお、触媒燃焼器３２内の温度が低下している場合には、触媒燃焼器３２内のバーナを作動させても良い。

ステップＳ２６０において、コントローラ８０は、燃焼ガス置換処理により、燃料電池スタック１０内のアノード極内における空気が、触媒燃焼器３２からの燃焼ガスで置換されたか否かを判定する。

具体的には、コントローラ８０は、スタック電圧Ｖの時間変化が生じている否かを検出することで、アノード極内のガスが燃焼ガスにより置換されたかどうかを判断する。すなわち、スタック電圧Ｖはアノード酸素分圧とカソード酸素分圧の比に相関することが知られているので、燃焼ガス置換処理が完全終了すると、アノード酸素分圧とカソード酸素分圧の比がしなくなるため、コントローラ８０は、燃焼ガス置換処理が終了したと判断する。

そして、ステップＳ２７０において、触媒燃焼器３２への燃料供給及び空気供給を停止する。

一方、ステップＳ２６０において燃焼ガス置換処理が完了していないと判定されると、ステップＳ２１０に戻り、本ルーチンが再度繰り返される。

上述の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を奏することができる。

本実施形態における燃料電池システム１００では、コントローラ８０は、燃料電池スタック１０のアノード極の酸素分圧であるアノード酸素分圧ＰａＯ２を演算するアノード酸素分圧演算部として機能する（図５のステップＳ２１０参照）。また、停止要求後燃焼器供給制御部として機能するコントローラ８０は、アノード酸素分圧ＰａＯ２に基づいて触媒燃焼器３２に供給する燃料の量を調節する（図４のステップＳ２３０及びステップＳ２５０参照）。これにより、触媒燃焼器３２への供給する燃料の量を、アノード酸素分圧ＰａＯ２に応じて好適に定めることができる。

さらに、停止要求後燃焼器供給制御部として機能するコントローラ８０は、アノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）未満となるように、燃料の供給量を調節する。これにより、システム停止処理中におけるアノード酸素分圧ＰａＯ２の上昇によるアノード酸化劣化をより確実に抑制することができる。

特に、上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）は、スタック温度Ｔｓに応じて求められる。より詳細には、上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）は、スタック温度Ｔｓが低下すると高くなる。

すなわち、アノード酸素分圧ＰａＯ２が高くなることによるアノード酸化劣化の可能性が高いシステム停止処理の初期段階では、上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）を相対的に低く設定し、アノード酸素分圧ＰａＯ２が高くともアノード酸化劣化が生じ難いシステム停止処理の進行段階では、上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）を相対的に高く設定することができる。したがって、アノード酸化劣化が生じる可能性が低いにもかかわらず、必要以上にアノード酸素分圧ＰａＯ２を安全サイドで評価することが抑制され、結果として燃焼ガス置換処理を実行するにあたり必要十分な量の燃焼ガスを生成する観点から適切な量の燃料をより確実に触媒燃焼器３２に供給することができる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、アノード酸素分圧演算部として機能するコントローラ８０は、スタック温度Ｔｓ、燃料電池のカソード極の酸素分圧であるカソード酸素分圧ＰｃＯ２、及び燃料電池の端子間電圧であるスタック電圧Ｖに基づいてアノード酸素分圧ＰａＯ２を演算する。これにより、容易且つ高精度にアノード酸素分圧ＰａＯ２を演算することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、停止要求後燃焼器供給制御部として機能するコントローラ８０は、触媒燃焼器３２による燃焼の発熱量が、燃料電池スタック１０の放熱量Ｑｓ以下となるように、燃料の供給量を調節する。

これにより、触媒燃焼器３２で生成される燃焼ガスの熱量が燃料電池スタック１０の放熱量Ｑｓを越えないので、当該燃焼ガスを燃料電池スタック１０に供給していても、燃料電池スタック１０を冷却することができる。すなわち、触媒燃焼器３２を作動させて生成した燃焼ガスを燃料電池スタック１０に供給しつつも、燃料電池スタック１０の停止処理（冷却）を行うことが可能となる。

さらに、本実施形態では、停止要求後燃焼器供給制御部として機能するコントローラ８０は、燃料電池スタック１０への空気の供給流量を最低流量に制御する。なお、ここで「最低流量」とは、空気ブロア４３の仕様上設定し得る空気流量の最低値等の燃料電池システム１００の設計を考慮して、燃料電池スタック１０へ供給する空気流量として設定し得る最も低い値を意味する。

これにより、最低流量とされた空気の供給流量に応じて決まる触媒燃焼器３２への燃料の量を低減して触媒燃焼器３２による燃焼の発熱量を極力減らすことができるので、燃焼ガスを燃料電池スタック１０に供給することによる燃料電池スタック１０の冷却速度の低下を抑制することができる。

特に、本実施形態の燃料電池システム１００は、スタック温度Ｔｓを取得する燃料電池温度取得装置としてのスタック温度センサ８３と、外気温度Ｔａを取得する外気温度取得装置としての外気温度センサ８５と、を有する。そして、コントローラ８０は、燃料電池スタック１０の放熱量Ｑｓをスタック温度Ｔｓ及び外気温度Ｔａに基づいて算出する燃料電池放熱量算出部として機能する。これにより、燃料電池スタック１０の放熱量Ｑｓを容易且つ高精度に算出することができる。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態又は第２実施形態で説明した要素と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態では、システム停止処理中におけるアノード極の酸化劣化をより確実に防止する観点から、上記燃焼ガス置換処理以外の他のアノード劣化抑制処理として、燃料電池スタック１０に対し、燃料電池スタック１０の発電で得られる電圧と逆向きの電圧である逆電圧を印加する処理（逆電圧印加処理）を行うことが想定される。

図８は、本実施形態による燃料電池システム１００の主要構成を示す概略構成図である。図示のように、本実施形態では、電力機構６０に、燃料電池スタック１０に逆電圧を印加する処理を行う逆電圧印加部としての逆電圧印加用ＤＣ−ＤＣコンバータ６７が設けられている。

図９は、本実施形態によるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。なお、図９に示すフローチャートにおいて、ステップＳ２１０、ステップＳ２２０、ステップＳ２３０、ステップＳ２４０、ステップＳ２５０、ステップＳ２６０、及びステップＳ２７０の処理は、第２実施形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。

第２実施形態に対する本実施形態における固有の処理は、ステップＳ３００、ステップＳ３１０、及びステップＳ３３０である。

ステップＳ３００では、コントローラ８０は、ステップＳ２１０で演算されたアノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上であるか否かを判定し、アノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上であると判定すると、ステップＳ３１０の逆電圧印加モードに移行する。なお、アノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上ではないと判定された場合には、ステップＳ２２０以降の処理に進む。

逆電圧印加モードを実行する意義は次の通りである。すなわち、本来であれば燃焼ガス置換処理を実行することにより、アノード酸素分圧ＰａＯ２は上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上となることは抑制されるが、何らかの事象によりアノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上となった場合には、上記燃焼ガス置換処理に加えて、燃料電池スタック１１に逆電圧を印加して、アノード極の酸化劣化をより確実に防止することを意図している。

図１０は、逆電圧印加モードの流れを示すフローチャートである。

ステップＳ３１１において、コントローラ８０は、逆電圧印加用ＤＣ−ＤＣコンバータ６７により燃料電池スタック１０に逆電圧を印加する。ここで、逆電圧の印加とは、燃料電池スタック１０の通常の発電により生成される起電力の方向とは反対向きの電圧を当該燃料電池スタック１０に印加することを意味する。

なお、このように燃料電池スタック１０に印加する逆電圧は、燃料電池スタック１０内に残存する燃料や空気による発電で生じる開放端電圧よりも高い値に設定される。このように、燃料電池スタック１０に逆電圧を印加することで、燃料電池スタック１０に流れる電流（電荷）の向きを通常の発電状態とは反対向きにすることができるので、電荷の移動がアノード極からカソード極となることに伴い、アノード極に侵入する酸素を、電解質膜を介してカソード極側に送ることができる。これにより、アノード極における酸素とニッケルの反応を抑制することができる。

ステップＳ３１２において、コントローラ８０は、スタック温度センサ８３で検出されるスタック温度Ｔｓを取得する。

ステップＳ３１３において、コントローラ８０は、ステップＳ３１２で取得したスタック温度Ｔｓが逆電圧の印加を停止すべき停止処理終了温度Ｔｅ以下であるかどうかを判定する。

コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅ以下であると判定すると、逆電圧印加モードを終了してシステム停止処理を終了する。一方で、コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅ以下ではないと判定すると、ステップＳ３１４において所定時間待機する。そして、ステップＳ３１２に戻り、さらにステップＳ３１３の判断を再度行う。すなわち、コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅ以下ではないと判定した場合には、スタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅ以下に冷却するまで待機する。

一方、本実施形態では、図９のステップＳ２７０において触媒燃焼器３２が停止された後、すなわち、燃焼ガス置換処理が終了した後に、ステップＳ３３０において、コントローラ８０が検査モードを実行する。この検査モードは、燃焼ガス置換処理が行われた後でアノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上となっていないかを監視するモードである。

すなわち、本実施形態では、燃焼ガス置換処理が行われた後でシステム停止処理の進行にともないアノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上となるときは、燃焼ガス置換処理だけではアノード酸素分圧ＰａＯ２を低下させるために十分とは言えないので、その場合には上記逆電圧印加処理を行い、アノードの酸化劣化をより確実に抑制するべく、燃焼ガス置換処理後のアノード酸素分圧ＰａＯ２の監視を意図している。

図１１は、本実施形態による検査モードの流れを示すフローチャートである。

図示のように、先ず、ステップＳ３３１において、コントローラ８０は、スタック温度センサ８３で検出されるスタック温度Ｔｓを再度取得する。

ステップＳ３３２において、コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが、停止処理終了温度Ｔｅ以下であるか否かを判定する。コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅ以下であると判定すると、検査モード及びシステム停止処理を終了する。

すなわち、スタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅ以下である場合には、たとえアノード酸素分圧ＰａＯ２が高くてもアノードの酸化劣化をもたらす反応が起こらないため、検査モードを続行することなく、終了することを意図している。一方、コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅ以下ではないと判定すると、ステップＳ３３３の処理を行う。

ステップＳ３３３では、コントローラ８０は、燃焼ガス置換処理を行う。すなわち、これは、検査の中で燃焼ガス置換処理を再度実行してアノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）より低下することどうかを確認することを意図している。

燃焼ガス置換処理が実行されると、ステップＳ３３４において、コントローラ８０は、アノード酸素分圧ＰａＯ２を再度演算する。なお、アノード酸素分圧ＰａＯ２の再度の演算も、本ルーチンにおけるステップＳ２１０で行った方法と同様である。

ステップＳ３３５において、コントローラ８０は、ステップＳ３３４で演算したアノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上であるか否かを判定する。コントローラ８０は、アノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上ではないと判定すると、ステップＳ３３６の処理を行う。

ステップＳ３３６において、コントローラ８０は所定時間待機の後にステップＳ３３１に戻る。すなわち、以降は、コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが低下して停止処理終了温度Ｔｅに到達するまで、検査モードを繰り返す。

一方、上記ステップＳ３３５においてアノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上であると判定されると、既に説明したステップＳ３１０の逆電圧印加モードを実行する。すなわち、この場合は、燃焼ガス置換処理だけではアノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）を下回らないと判断されて、アノード酸化劣化を発生させないレベルにアノード酸素分圧ＰａＯ２を低下させるべく、逆電圧印加処理が行われることとなる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００の作用を比較例と対比して説明する。

図１２Ａは、本実施形態におけるシステム停止処理後におけるアノード酸素分圧ＰａＯ２の時間変化を示すタイムチャートであり、図１２Ｂは、システム停止処理後におけるスタック温度Ｔｓの時間変化を示すタイムチャートである。なお、図１２Ａ及び図１２Ｂにおいては、参考のため比較例のアノード酸素分圧ＰａＯ２及びスタック温度Ｔｓの変化を破線で示している。

図１２Ａに示すように、本実施形態では時刻０〜時刻ｔ１の区間で燃焼ガス置換処理が実行される。したがって、図１２Ａから明らかなように、燃料電池システム１００では、燃焼ガス置換処理を行わない比較例に対して、アノード酸素分圧ＰａＯ２が全体として低下する。

より詳細に説明すると、アノード酸素分圧ＰａＯ２は、通常、クロスリークや逆拡散の影響によりシステム停止処理後に時間が経つに連れて増加する。しかしながら、本実施形態では、燃焼ガス置換処理によりアノード酸素分圧ＰａＯ２の増加が抑制されるので、比較例に対してシステム停止処理の進行に伴うアノード酸素分圧ＰａＯ２の増加速度が遅くなっている。したがって、本実施形態ではアノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上となる（酸化劣化領域Ｄに突入する）としても、少なくともそのタイミングを遅らせることができる。

これにより、逆電圧印加処理を実行するタイミングを、比較例の時刻ｔ２よりも遅い時刻ｔ３とすることができる。

一方で、図１２Ｂに示すように、燃焼ガス置換処理を行っている本実施形態の燃料電池システム１００は、燃焼ガス置換処理を行わない比較例よりもスタック温度Ｔｓの低下速度が遅くなる。これは、燃焼ガス置換処理では触媒燃焼器３２により高温の燃焼ガスを燃料電池スタック１０に供給しているためである。

しかしながら、このようにスタック温度Ｔｓの低下速度が遅くなったとしても、上述したように、本実施形態では燃焼ガス置換処理によりアノード酸素分圧ＰａＯ２が相対的に低くなるため、トータルとしてはアノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）に到達して逆電圧印加処理を実行するタイミングを遅くすることができる。

さらに、図１３は、逆電圧印加処理における逆電圧印加用ＤＣ−ＤＣコンバータ６７の消費電力の時間変化を示すタイムチャートである。図１３から明らかなように、燃焼ガス置換処理を行わない比較例は時刻ｔ２から逆電圧印加用ＤＣ−ＤＣコンバータ６７を作動させることとなり、時刻ｔ２以降でその消費電力が上昇している。

これに対して、燃焼ガス置換処理を行った本実施形態では、時刻ｔ２より後の時刻ｔ３から逆電圧印加用ＤＣ−ＤＣコンバータ６７を作動させることができる。このように、本実施形態では、燃焼ガス置換処理を行わない場合と比較して逆電圧印加用ＤＣ−ＤＣコンバータ６７の作動開始を遅らせることで逆電圧印加用ＤＣ−ＤＣコンバータ６７の作動時間を短縮して消費電力を低減することができる。

さらに、本実施形態で逆電圧印加用ＤＣ−ＤＣコンバータ６７の作動を開始する時刻ｔ３では、比較例において逆電圧印加用ＤＣ−ＤＣコンバータ６７の作動を開始する時刻ｔ２と比べてシステム停止処理が進行しており（スタック温度Ｔｓが低下しており）、燃料電池スタック１０の開放端電圧も低下している。したがって、逆電圧印加用ＤＣ−ＤＣコンバータ６７から燃料電池スタック１０に印加する逆電圧を低く設定することができるので、逆電圧印加用ＤＣ−ＤＣコンバータ６７の電力量の最大値自体も低減することができる。結果として、より一層電力消費を削減することができる。

上述の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を奏することができる。

本実施形態において、コントローラ８０は、燃料電池スタック１０の停止要求後であって燃料及び空気の供給中にアノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上となった場合に、アノード酸素分圧ＰａＯ２を低減する他のアノード劣化抑制処理を行うアノード劣化抑制処理部としての逆電圧印加用ＤＣ−ＤＣコンバータ６７を備える。

これにより、燃焼ガス置換処理によりアノード酸素分圧ＰａＯ２を低下させてもなお、アノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上となる場合に、アノード劣化抑制処理を行うことで、システム停止処理中におけるアノードの酸化劣化をより確実に防止することができる。

特に、本実施形態では、アノード劣化抑制処理部として機能するコントローラ８０が、燃料電池スタック１０とは逆の起電力を燃料電池スタック１０に印加する逆電圧印加処理を実行する。

（第４実施形態）
以下、第４実施形態について説明する。なお、第３実施形態で説明した要素と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、燃料電池スタック１０のアノード極に対する他のアノード劣化抑制処理として、第２実施形態の逆電圧印加処理に代えて、燃料電池スタック１０のアノード入口１０ａに新たに燃料ガスを供給する新規燃料供給モードが実行される。なお、燃料電池システム１００のシステム構成は、第１実施形態と同様である。

図１４は、本実施形態によるシステム停止処理の流れを示すフローチャートである。図示のように、本実施形態では、コントローラ８０は、第２実施形態と同様にステップＳ２１０のアノード酸素分圧ＰａＯ２の演算を経て、ステップＳ３００におけるアノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上であるか否かの判定を行う。

ここで、コントローラ８０は、アノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上であると判定すると、ステップＳ４００において新規燃料供給モードを実行する。

図１５は、新規燃料供給モードの流れを示すフローチャートである。

図示のように、新規燃料供給モードでは、ステップＳ４０１において、燃料電池スタック１０に燃料を供給する。より詳細には、コントローラ８０が燃料電池スタック１０に供給すべき燃料ガスの流量に応じて、図１に示すポンプ２４の出力及び調圧弁２９の開度の少なくとも何れか一方を調節することで、燃料タンク２２から所望の量の燃料を改質器２８に送給する。これにより、改質器２８で改質された所望量の燃料ガスが燃料電池スタック１０のアノード入口１０ａに供給される。

このような新規燃料処理を行うことによって、システム停止処理中においても燃料電池スタック１０のアノード極通路内に燃料ガスが供給されている状態となり、アノード極通路内にクロスリークなどによって侵入する空気を燃料ガスで置換することができる。したがって、第１実施形態等で説明した燃焼ガス置換処理に加えてこの新規燃料処理を行うことで、より好適にアノード酸素分圧ＰａＯ２の増加を抑制することができる。

次に、ステップＳ４０２において、コントローラ８０は、スタック温度センサ８３で検出されたスタック温度Ｔｓを取得する。

ステップＳ４０３において、コントローラ８０は、ステップＳ３０２で取得したスタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅ以下であるかどうかを判定する。

コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅ以下であると判定すると、新規燃料供給モードを終了してシステム停止処理を終了する。一方で、コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅ以下ではないと判定すると、ステップＳ４０４において所定時間待機する。そして、所定時間の経過後、ステップＳ４０２に戻り、さらにステップＳ４０３の判断を再度行う。すなわち、コントローラ８０は、スタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅ以下ではないと判定した場合には、スタック温度Ｔｓが停止処理終了温度Ｔｅ以下になるまで待機する。

一方、図１４のステップＳ３００に戻り、アノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上ではないと判定されると、第２実施形態と同様にステップＳ２２０〜ステップＳ２７０の処理が行われた後、ステップＳ４１０の検査モード処理に移行する。

図１６は、本実施形態による検査モードの流れを示すフローチャートである。なお、ステップＳ３０１〜ステップＳ３０６の処理は第２実施形態における検査モード（図１１参照）と同様である。しかしながら、本実施形態では、ステップＳ３０６でアノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）以上ではないと判定されると、コントローラ８０は、第２実施形態における逆電圧印加モードに代えて新規燃料供給モードを実行する（ステップＳ４００）。

上述の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を奏することができる。

本実施形態において、アノード劣化抑制処理は、燃料電池スタック１０に燃料を供給する燃料電池燃料供給処理（図１５のステップＳ４００参照）を含む。

これにより、燃焼ガス置換処理によりアノード酸素分圧ＰａＯ２を低下させてもなお、アノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）を越える場合に、燃料電池スタック１０に燃料が供給される。したがって、燃料電池スタック１０のアノード極通路内に燃料ガスが供給されている状態となり、アノード極内にクロスリーク等する空気を燃料ガスで置換することができる。これにより、上記燃焼ガス置換処理に加えてこの新規燃料処理を行うことで、より好適にアノード酸素分圧ＰａＯ２の増加を抑制することができる。

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。

上記実施形態では、システム停止処理中に燃料電池スタック１０に燃焼ガスを供給する燃焼器として、起動燃焼機構３０の一つである触媒燃焼器３２を用いている。しかしながら、触媒燃焼器３２に代えて又はこれと併用して、拡散燃焼器３１を用いても良い。また、燃料電池スタック１０に燃焼ガスを供給する燃焼器を、触媒燃焼器３２とは別に新たに設けるようにしても良い。

例えば、第２実施形態や第３実施形態におけるアノード劣化抑制処理としての逆電圧処理や新規燃料供給処理は必須の処理ではなく、アノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）を越えない限りは実行しなくても良い。また、一方で、アノード極の酸化劣化をより確実に防止する観点から、アノード酸素分圧ＰａＯ２が上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）を越えない場合においても上記アノード劣化抑制処理を行うようにしても良い。

また、カソード酸素分圧等のアノード酸素分圧以外の指標で、アノード酸化劣化と相関し得る種々のパラメータにより酸化劣化領域Ｄを規定するようにしても良い。逆電圧印加処理と新規燃料噴射処理を併用しても良い。また、アノード酸素分圧を演算には、スタック温度Ｔｓ、カソード酸素分圧ＰｃＯ２、及びスタック電圧Ｖに代えて又はこれに加えて他の任意のパラメータを用いるようにしても良い。

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１０のアノード極が酸化劣化領域Ｄに含まれないように定められた空気過剰率λから触媒燃焼器３２への燃料の供給量を調節している。しかしながら、予め定める空気過剰率λに基づいて触媒燃焼器３２への空気供給量を調節しても良い。例えば、所望の触媒燃焼器３２への燃料の供給量を設定して、この燃料供給量に応じて定めた空気供給量を触媒燃焼器３２に供給するようにしても良い。

さらに、上記各実施形態では、主として空気過剰率λ≦１以下であることが想定されているが、燃料電池スタック１０のアノード極内の酸化劣化を抑制し得る範囲で、空気過剰率λ＞１としても良い。

また、上記第２実施形態において適切な空気過剰率λを定めるべく設定したアノード酸素分圧ＰａＯ２の上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）と、第３実施形態で説明した逆電圧印加処理、又は第４実施形態で説明した新規燃料供給モード等の他のアノード劣化抑制処理を実行するか否かの判断（図９及び図１４のステップＳ３００参照）に用いた上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）が異なる値をとるように設定しても良い。例えば、適切な空気過剰率λを定めるべく設定するアノード酸素分圧ＰａＯ２の上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）を、他のアノード劣化抑制処理を実行するか否かの判断に用いる上限閾値Ｐｔｈ（Ｔ）よりも低く設定して、アノード極の酸化劣化を防止する観点からより安全サイドで燃焼ガス置換処理を実行するようにしても良い。これにより、他のアノード劣化抑制処理を実行する頻度を極力減らすことも可能である。

また、上記各実施形態は、任意に組み合わせが可能である。

本願は、２０１５年１２月２５日に日本国特許庁に出願された特願２０１５−２５４２１１号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 (17)

1. 燃料電池と、
   燃料及び酸化ガスを燃焼させ前記燃料電池のカソード入口に燃焼ガスを供給する燃焼器と、
   前記燃焼器へ燃料を供給する燃焼燃料供給装置と、
   前記燃焼器へ酸化ガスを供給する燃焼酸化ガス供給装置と、
   前記燃料電池のアノード出口からアノード排ガスを排出するアノード排ガス排出通路と、
   前記燃料電池のカソード出口からカソード排ガスを排出するカソード排ガス排出通路と、
   前記燃焼燃料供給装置による前記燃焼器への燃料の供給、及び前記燃焼酸化ガス供給装置による前記燃焼器への酸化ガスの供給を制御するコントローラと、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記コントローラは、
   前記燃料電池システムの停止要求後に、前記燃焼器への燃料の供給及び酸化ガスの供給を実行する停止要求後燃焼器供給制御部と、
   前記燃料電池の停止要求後であって燃料及び酸化ガスの供給中に前記アノード極の酸素分圧が前記アノード極の酸化劣化が生じ得る領域であるか否か判断するための上限閾値以上となった場合に、他のアノード劣化抑制処理を行うアノード劣化抑制処理部と、
   を有する、
   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において、
   前記燃焼器は、前記燃料電池の起動時に実行される暖機運転中に燃料及び酸化ガスの供給を受け、該燃料及び酸化ガスを燃焼させて前記燃料電池のカソード入口に燃焼ガスを供給する起動燃焼器であり、
   前記コントローラは、
   前記暖機運転の終了後に、前記起動燃焼器への空気の供給を停止する、
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記停止要求後燃焼器供給制御部は、
   燃料に対する酸化ガスの過剰率が前記燃料電池のアノード極の酸化劣化を抑制する所定値となるように、燃料の供給量及び酸化ガスの供給量の少なくとも何れか一方を調節する、
   燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記所定値は、１である燃料電池システム。
5. 請求項２〜４の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記コントローラは、前記燃料電池のアノード極の酸素分圧を演算するアノード酸素分圧演算部をさらに備え、
   前記停止要求後燃焼器供給制御部は、前記アノード極の酸素分圧に基づいて燃料の供給量を調節する、
   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において、
   前記停止要求後燃焼器供給制御部は、前記アノード極の酸素分圧が所定の上限閾値未満となるように、燃料の供給量を調節する、
   燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記上限閾値は、前記燃料電池の温度に応じて定まる、
   燃料電池システム。
8. 請求項５〜７の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記アノード酸素分圧演算部は、前記燃料電池の温度、前記燃料電池のカソード極の酸素分圧、及び前記燃料電池の端子間電圧に基づいて前記アノード極の酸素分圧を演算する、
   燃料電池システム。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記アノード劣化抑制処理は、前記燃料電池とは逆の起電力を前記燃料電池に印加する逆電圧印加処理を含む、
   燃料電池システム。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記アノード劣化抑制処理は、前記燃料電池へ燃料を供給する燃料電池燃料供給処理を含む、
    燃料電池システム。
11. 請求項１〜１０の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記停止要求後燃焼器供給制御部は、
    前記燃焼器による燃焼の発熱量が前記燃料電池の放熱量以下となるように、燃料の供給量を調節する、
    燃料電池システム。
12. 請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記停止要求後燃焼器供給制御部は、
    前記燃料電池への酸化ガスの供給流量を最低流量に制御する燃料電池システム。
13. 請求項１１又は１２に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得装置と、外気温度を取得する外気温度取得装置と、をさらに有し、
    前記停止要求後燃焼器供給制御部は、前記燃料電池の温度及び前記外気温度に基づいて前記燃料電池の放熱量を算出する燃料電池放熱量算出部をさらに備えた、
    燃料電池システム。
14. 請求項１〜１３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃焼器は、前記燃料電池のカソード入口に酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路に配置される燃料電池システム。
15. 燃料電池システムにおける燃料電池の停止要求後に、前記燃料電池システム内の燃焼器に燃料及び酸化ガスを供給して前記燃焼器で生成される燃焼ガスを前記燃料電池のカソード入口に供給し、
    前記燃料電池の停止要求後であって前記燃焼器への燃料及び酸化ガスの供給中に前記アノード極の酸素分圧が前記アノード極の酸化劣化が生じ得る領域であるか否か判断するための上限閾値以上となる場合に、他のアノード劣化抑制処理を行う、
    燃料電池システムの制御方法。
16. 請求項１５に記載の燃料電池システムの制御方法において、
    燃料に対する酸化ガスの過剰率が前記燃料電池のアノード極の酸化劣化を抑制する所定値となるように、燃料の供給量及び酸化ガスの供給量の少なくとも何れか一方を調節する、
    燃料電池システムの制御方法。
17. 請求項１６に記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記所定値は、１である、
    燃料電池システムの制御方法。

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