JP6627888B2 - 固体酸化物型燃料電池システム、固体酸化物型燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池システム、及び固体酸化物型燃料電池システムの制御方法に関する。

特開２０１４−６８４９０号公報は、車両用バッテリとモータとを接続する電力供給ラインに燃料電池が接続された燃料電池システムを開示している。また、車載用の燃料電池として、従来の固体高分子型燃料電池よりも変換効率の高い固体酸化物型の燃料電池を用いることが提案されている。しかし、この燃料電池のシステムを停止させる際には、燃料電池の出力電圧（開放電圧）を、人体に触れても安全な電圧（目標電圧）まで低下させる必要がある。このため、従来は、燃料電池に放電回路を取り付け、システム停止時にカソードガスの供給を停止し、放電回路を駆動させて強制的に開放電圧を低下させていた。

ところで、放電回路を用いて燃料電池を放電させると、この放電に伴いカソードの酸素が消費され、カソード電極の周囲の酸素分圧が低下する。しかし、燃料電池にカソードガスを供給する通路全体では、カソード電極の周囲を除いて酸素が高い分圧で残留する形となる。よって、燃料電池の放電後であっても通路内の酸素がカソード電極の周囲に拡散して再び開放電圧が上昇してしまう。したがって、開放電圧が目標電圧に収束するまで、繰り返し放電する必要があった。

また、カソード電極の周囲の酸素分圧が所定の値以下になると、カソード電極にスタベーションが発生して劣化（構造変化）することになる。よって、カソード電極の周囲の酸素分圧をカソード電極の劣化を回避する所定の分圧以下にならないように放電を繰り返す必要がある。したがって、燃料電池の開放電圧を目標電圧に収束させるのに結果的に多くの時間を要していた。

本発明は、固体酸化物型の燃料電池の停止制御において、カソード電極の劣化を回避しつつ、燃料電池の解放電圧を短時間で目標電圧まで収束させる固体酸化物型燃料電池システム、及び固体酸化物型燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様における固体酸化物型燃料電池システムは、固体酸化物型の燃料電池と、燃料電池のカソードガス供給ラインに配置された燃焼器と、燃焼器に燃料を供給する燃料供給部と、カソードガス供給ラインにカソードガスを供給するカソードガス供給部と、を備える。そして、燃料電池の停止を契機に、燃料電池の停止制御として、カソードガス供給部からのカソードガス供給量を所定量とする制御と、カソードガス供給量に対応した供給量の燃料を燃料供給部から供給する制御と、を行う停止制御部を備える。

図１は、第１実施形態の燃料電池システムの主要構成を示すブロック図である。 図２は、第１実施形態の燃料電池システムの暖機制御の手順を示すフローチャートである。 図３は、第１実施形態の燃料電池システムの停止制御の手順を示すフローチャートである。 図４は、燃料電池スタックの開放電圧を放電回路により低下させたときの推移を表す図である。 図５は、燃料電池スタックの開放電圧を燃焼ガスにより低下させたときの推移を表す図である。 図６は、第２実施形態の燃料電池システムの停止制御の手順を示すフローチャートである。 図７は、第３実施形態の燃料電池システムの停止制御の手順を示すフローチャートである。 図８は、第４実施形態の燃料電池システムの停止制御の手順を示すフローチャートである。

以下、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。

［燃料電池システムの構成］
図１は、第１実施形態における燃料電池システムの主要構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム１０（固体酸化物型燃料電池システム）は、燃料電池スタック１２にアノードガス（燃料ガス）を供給する燃料供給系統と、燃料電池スタック１２を暖機させる暖機系統と、暖機系統にカソードガスを供給し燃料供給系統に改質用燃料を改質するのに必要な空気（改質用空気）を供給する空気供給系統と、燃料電池スタック１２から排出されたアノードオフガス及びカソードオフガスを排気する排気系統と、燃料電池スタック１２から電力を取り出して動力を得る駆動系統から構成される。

燃料供給系統は、燃料タンク２０、フィルタ２２、ポンプ２４、蒸発器３２、熱交換器３４、改質器３６等からなる。暖機系統は、起動燃焼器５２等からなる。空気供給系統は、フィルタ３８、コンプレッサー４０、熱交換器５０等からなる。排気系統は、排気燃焼器５８等からなる。駆動系統は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６８、バッテリ７０、駆動モータ７２等からなる。また、燃料電池システム１０は、システム全体の動作を制御する制御部７８を備えている。

上記構成要素のうち、燃料電池スタック１２、蒸発器３２、熱交換器３４、改質器３６、熱交換器５０、起動燃焼器５２、排気燃焼器５８は、断熱部材３０に収容され、外部への熱の放出を低減して、発電制御時におけるそれぞれの温度低下を抑制している。

燃料電池スタック１２は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であり、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層を、アノード電極（燃料極）とカソード電極（空気極）により挟んで得られるセルを積層したものである。また、燃料電池スタック１２のアノードにはアノードガスが供給され、カソードにはカソードガスが供給される。

ここで、アノードとは、燃料電池スタック１２を構成するアノード電極のみならず、アノード電極にアノードガスを供給する燃料電池スタック１２内の通路（マニホールド）、及びアノード電極で反応後のアノードオフガスを排出させる燃料電池スタック１２内の通路（マニホールド）も含むものとする。同様に、カソードとは、燃料電池スタック１２を構成するカソード電極のみならず、カソード電極にカソードガスを供給する燃料電池スタック１２内の通路（マニホールド）、及びカソード電極で反応後のカソードオフガスを排出させる燃料電池スタック１２内の通路（マニホールド）も含むものとする。

燃料電池スタック１２では、アノードガス中に含まれる水素とカソードガス中の酸素とを反応させて発電を行うとともに、反応後に生成されるアノードオフガスとカソードオフガスを排出する。また、燃料電池スタック１２には、燃料電池スタック１２内の温度を測定する温度センサ７６Ａが取り付けられている。温度センサ７６Ｂは、燃料電池スタック１２の周囲温度を測定若しくは推定するものである。温度センサ７６Ｂは、燃料電池スタック１２の外部、例えば断熱部材３０の内側等に取り付けられる。

燃料電池スタック１２には、燃料電池スタック１２のアノードにアノードガスを供給する通路２６Ａ、暖機時に燃料電池スタック１２のカソードに燃焼ガスを供給し発電制御時に当該カソードにカソードガスを供給する通路４２Ａ、燃料電池スタック１２のアノードから排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）を排気燃焼器５８に導入する通路２６Ｄ、燃料電池スタック１２のカソードから排出されたカソードオフガス（酸化オフガス）を排気燃焼器５８に導入する通路４２Ｄが接続されている。また、通路２６Ｄには、流路遮断弁６２Ｂが取り付けられている。流路遮断弁６２Ｂは、燃料電池スタック１２の発電制御時は通路２６Ｄを開放しているが、後述の燃料電池システム１０の暖機制御及び停止制御において通路２６Ｄを閉止する。

燃料タンク２０は、例えばエタノールと水を混合させた液体からなる改質用燃料（燃料）を蓄えるものであり、ポンプ２４は、改質用燃料を吸引して所定の圧力で燃料供給系に改質用燃料を供給し、暖機系統に燃焼用燃料（改質用燃料と同じもの）を供給するものである。フィルタ２２は、燃料タンク２０とポンプ２４の間に配置され、ポンプ２４に吸引される改質用燃料内のごみを除去するものである。

燃料タンク２０から改質用燃料を供給する通路２６は、蒸発器３２に改質用燃料を供給する通路２６Ａ、起動燃焼器５２に燃焼用燃料を供給する通路２６Ｂ、排気燃焼器５８に燃焼用燃料を供給する通路２６Ｃに分岐する。通路２６Ａには、通路２６Ａの流路を開放・閉止可能であるとともに改質用燃料の供給量を調整可能なスロットル２８Ａ（改質用燃料供給部）が取り付けられている。同様に、通路２６Ｂにはスロットル２８Ｂ（燃料供給部）が取り付けられ、通路２６Ｃにはスロットル２８Ｃが取り付けられている。

スロットル２８Ａは、燃料電池システム１０の暖機制御時に通路２６Ａを閉止しているが、暖機制御終了時に通路２６Ａを所定の開度で開放してインジェクタ２９Ａを介して改質用燃料を流通させる。スロットル２８Ｂは、燃料電池システム１０の暖機制御時に通路２６Ｂを所定の開度で開放してインジェクタ２９Ｂを介して燃焼用燃料を流通させ、暖機制御終了時に通路２６Ｂを閉止する。スロットル２８Ｃは、燃料電池システム１０の暖機制御時に通路２６Ｃを所定の開度で開放してインジェクタ２９Ｃを介して燃焼用燃料を流通させ、暖機制御終了時、または暖機制御の途中において通路２６Ｃを閉止する。

蒸発器３２は、排気燃焼器５８から排気される排気ガスの熱を利用して改質用燃料を気化させるものである。熱交換器３４は、排気燃焼器５８から熱が供給され、気化した改質用燃料を改質器３６において改質するためにさらに加熱するものである。

改質器３６は、触媒反応により改質用燃料を、水素を包含するアノードガスに改質して燃料電池スタック１２（アノード）に供給するものである。改質器３６は、後述の通路４２Ｂから改質用空気（カソードガスと同じもの）が供給され、この改質用空気を触媒反応に用いて改質用燃料をアノードガスに改質している。

コンプレッサー４０（カソードガス供給部）は、フィルタ３８を通じて外気を取り入れて空気（カソードガス）を燃料電池スタック１２等に供給するものである。コンプレッサー４０が排出された空気を供給する通路４２には、リリーフバルブ４４が取り付けられ、通路４２内の圧力が所定値を超えると通路４２を開放してコンプレッサー４０に所定以上の負荷がかからないようにしている。また通路４２のリリーフバルブ４４よりも上流となる位置には給気遮断弁６２Ａが取り付けられている。給気遮断弁６２Ａは通常通路４２を開放しているが、燃料電池システム１０の停止制御の最終段階において通路４２を閉止する。通路４２は、カソードガス（空気）を熱交換器５０に供給する通路４２Ａと、熱交換器３４（改質器３６）に改質用空気を供給する通路４２Ｂに分岐する。

通路４２Ａ（カソードガス供給ライン）には、スロットル４６Ａ（カソードガス供給部）が取り付けられ、制御部７８の制御によりカソードガスの供給量が調整できるようになっている。同様に、通路４２Ｂには、スロットル４６Ｂが取り付けられ、制御部７８の制御により改質用空気の供給量が調整できるようになっている。さらに各通路の各スロットルよりも空気の下流となる位置には、火炎をせき止める逆火防止装置４８が取り付けられている。

熱交換器５０は、排気燃焼器５８から排出された排気ガスの熱を利用して、カソードガスを加熱するものである。

起動燃焼器５２は、燃料電池システム１０の暖機制御時において、燃料電池スタック１２を暖機するための燃焼ガスを生成するものである。起動燃焼器５２には、熱交換器５０により加熱されたカソードガスと、インジェクタ２９Ｂから供給され電気ヒータ５４Ａで加熱された燃焼用燃料と、が供給され両者が混合される。そして、起動燃焼器５２に付属する着火装置によりカソードガスと燃焼用燃料の混合物が着火して高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスが通路４２Ａを通じて燃料電池スタック１２のカソードに供給される。

排気燃焼器５８は、発電制御時において、通路２６Ｄから供給されたアノードオフガスと通路４２Ｄから供給されたカソードオフガスを混合してその混合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ガスを生成するとともに、触媒燃焼による熱を熱交換器３４等に伝達するものである。また、排気燃焼器５８は、暖機制御時においてインジェクタ２９Ｃから供給され電気ヒータ５４Ｂにより加熱された燃焼用燃料と通路４２Ｄから供給された燃焼ガス（酸素を含有する）とを混合してこれを燃焼して排気ガスを生成し、この燃焼により排気燃焼器５８を触媒燃焼可能な温度にまで暖機する。さらに、排気燃焼器５８は、燃焼後の排気ガスを排気する排気通路６４に接続され、排気通路６４が蒸発器３２、熱交換器５０を通過し、マフラー（不図示）に接続している。よって、蒸発器３２、熱交換器５０は排気ガスにより加熱される。また、排気通路６４の後段には排気遮断弁６２Ｃが取り付けられている。排気遮断弁６２Ｃは通常排気通路６４を開放しているが、燃料電池システム１０の停止制御の最終段階で排気通路６４を閉止する。なお、排気燃焼器５８には、排気燃焼器５８（燃焼用の触媒）の温度を測定する温度センサ７６Ｃが取り付けられている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ６８は、燃料電池スタック１２に接続され、燃料電池スタック１２の出力電圧を昇圧してバッテリ７０または駆動モータ７２に電力を供給するものである。バッテリ７０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６８から供給された電力を充電するとともに、駆動モータ７２に電力を供給するものである。駆動モータ７２は、インバータ（不図示）を介してバッテリ７０及びＤＣ−ＤＣコンバータ６８に接続され、車両の動力源となっている。また、車両のブレーキ時において、駆動モータ７２は回生電力を発生させるが、これをバッテリ７０に充電させることができる。なお、燃料電池スタック１２とＤＣ−ＤＣコンバータ６８とを接続する配線には電圧計７４が接続され、電圧計７４（電圧検出部）は燃料電池スタック１２の電圧（開放電圧）を測定する。

制御部７８は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成され、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１０を制御するための処理を実行する。また制御部７８は、燃料電池システム１０を構成する構成要素の駆動・停止制御（ＯＮ・ＯＦＦ制御）を行うことができる。後述のように、制御部７８が行う燃料電池システム１０の制御としては、燃料電池スタック１２を暖機する暖気制御、通常の発電を行う通常発電制御、システムを停止させる停止制御がある。また、制御部７８は、スロットル２８Ａ（及びスロットル２８Ｂ，２８Ｃ）の開度を制御して改質用燃料の供給量（流量）を制御し、スロットル２８Ｂ，２８Ｃの開度を制御して燃焼用燃料の供給量を制御することが可能である。さらに、制御部７８は、スロットル４６Ａの開度を制御してカソードガスの供給量を制御し、スロットル４６Ｂの開度を制御して改質用空気の供給量を制御することが可能である。

［燃料電池システムの暖機制御］
燃料電池システム１０の暖機制御は、ドライバーのイグニッションＯＮ操作（車両キーをＯＮにする操作）を契機に開始する。暖機制御は、起動燃焼器５２から燃料電池スタック１２に燃焼ガスを供給して暖機することより行う。しかし、その際、燃焼ガスの酸素分圧は、燃焼ガスの温度が燃料電池スタック１２の耐熱温度以下となるようにカソードガスと燃焼用燃料の供給の割合、すなわち空気過剰率λを考える必要がある。

空気過剰率λ（後述のλ０、λ１）は、（カソードガスの供給量）／（燃焼用燃料の供給量）に依存した値と定義することができる。起動燃焼器５２に供給されるカソードガスの供給量と、当該供給量のカソードガスにより燃焼可能な燃焼用燃料の最大の供給量を考えたとき、空気過剰率λは１となる。空気過剰率λが１のとき燃焼ガス中の酸素分圧はゼロとなるが、燃焼ガスの温度が最も高くなる。しかし、空気過剰率λが１より大きくなるほど、酸素分圧が大きくなり、逆に燃焼ガスの温度は低下する。

よって、暖機制御時の空気過剰率λ０の適正範囲は、燃料電池スタック１２の耐熱温度となる酸素分圧の燃焼ガスを実現する空気過剰率λｔを考えると、１＜λｔ≦λ０となる。なお、燃料電池スタック１２のカソード電極の劣化を回避する酸素分圧を実現する後述の空気過剰率λａは、λｔよりも小さいので、暖機制御ではλａを考慮する必要はない。

暖機制御終了後は、起動燃焼器５２による燃焼ガスの生成を終了し、熱交換器５０、起動燃焼器５２を通過した空気がカソードガスとして引き続き用いられ燃料電池スタック１２に供給されて通常発電制御に移行する。

［燃料電池システムの暖機制御の手順］
第１実施形態の燃料電池システムの暖機制御の手順を示すフローチャートを図２に従って説明する。

図２に示すように、まず、システムが暖機制御を開始すると、ステップＳ１０１において、制御部７８は、コンプレッサー４０をＯＮにし、スロットル４６ＡをＯＮにする。これにより所定の供給量のカソードガスが通路４２Ａに流通する。また、ステップＳ１０１において、制御部７８は、流路遮断弁６２Ｂを閉にし、通路２６Ｄを閉止する。

ステップＳ１０２において、制御部７８は、スロットル４６Ａの開度から算出されるカソードガスの供給量と、空気過剰率λ０に基づき、燃焼用燃料供給量を算出する。

ステップＳ１０３において、制御部７８は、ポンプ２４、スロットル２８Ｂ、起動燃焼器５２をＯＮにするとともに、スロットル２８Ｂの開度を燃焼用燃料供給量に対応して制御する。これにより、起動燃焼器５２には空気過剰率λ０のカソードガスと燃焼用燃料の混合ガスが生成され、起動燃焼器５２が当該混合ガスに着火することにより、燃料電池スタック１２の耐熱温度以下の燃焼ガス（酸素を含む）が供給され、これにより燃料電池スタック１２が暖機（加熱される）。そして燃料電池スタック１２を通過した燃焼ガスは通路４２Ｄを介して排気燃焼器５８に到達し、排気燃焼器５８を加熱する。またこの燃焼ガスからの熱伝達により断熱部材３０内にある熱交換器３４、改質器３６等の構成要素が加熱される。さらに、燃料電池スタック１２を通過した燃焼ガスは通路４２Ｄを通じて排気燃焼器５８に導入され、排気燃焼器５８を通過した燃焼ガス（排気ガス）は、排気通路６４を通じて蒸発器３２、熱交換器５０を通過しこれらを加熱する。

ステップＳ１０４において、制御部７８は、スロットル２８ＣをＯＮにして所定の開度で燃焼用燃料を排気燃焼器５８に供給する。これにより、排気燃焼器５８に燃焼用燃料と燃焼ガス（酸素を含む）との触媒反応によりさらに加熱しこの熱が熱交換器３４等に伝達される。なお、触媒反応により生成された排気ガスは排気通路６４を通じて蒸発器３２、熱交換器５０を通過しこれらを加熱する。

ステップＳ１０５において、制御部７８は、温度センサ７６Ｃが測定する温度により、排気燃焼器５８の温度が触媒燃焼可能な温度に到達したか否か判断する。ステップＳ１０５において是（ＹＥＳ）と制御部７８が判断すると、ステップＳ１０６において、制御部７８は、スロットル２８ＣをＯＦＦにし、排気燃焼器５８への燃焼用燃料の供給を停止する。これにより、以後、排気燃焼器５８は、引き続き燃焼ガスにより加熱される。

ステップＳ１０７において制御部７８は、温度センサ７６Ａが検知する温度により、燃料電池スタック１２の温度が発電可能な温度の下限となる発電可能温度に到達したか否かを判断する。

ここで、蒸発器３２、熱交換器３４、改質器３６についても、改質用燃料を良好に改質するための適正な温度に到達したか否かの判断が本来必要であるが、これらが適正な温度に到達する時間が、燃料電池スタック１２の温度が発電可能温度に到達する時間よりも早い場合は不要である。

ステップＳ１０７において是（ＹＥＳ）と制御部７８が判断した場合、ステップＳ１０８において、制御部７８は、スロットル２８Ｂ及び起動燃焼器５２をＯＦＦにして燃焼ガスの生成を停止する。また、ステップＳ１０８において、制御部７８は、流路遮断弁６２Ｂを開にして通路２６Ｃを開放するとともに、スロットル２８Ａ及びスロットル４６ＢをＯＮにして通路２６Ａを開放する。

これにより、燃料タンク２０から改質用燃料がスロットル２８Ａの開度に従った所定の供給量により、インジェクタ２９Ａ、蒸発器３２を経て熱交換器３４に到達する。またスロットル４６Ｂの開度に従った所定の供給量の改質用空気が熱交換器３４に供給されて改質用燃料と混合する。そしてこの混合ガスが改質器３６に導入されてアノードガス（燃料ガス）に改質され、このアノードガスが燃料電池スタック１２（アノード）に供給される。一方、通路４２Ａからは引き続きカソードガスが供給されるとともに熱交換器５０で加熱され、カソードガス（酸化ガス）として燃料電池スタック１２に供給される。そして、燃料電池スタック１２においてアノードガスとカソードガスによる電気化学反応が始まることで暖機制御は終了し、発電制御に移行する。なお、燃料電池スタック１２を通過したアノードオフガスは、遮断弁６２が開となっているため、通路２６Ｃを通じて排気燃焼器５８に導入させることができる。

［燃料電池システムの通常発電制御時における動作］
次に、燃料電池システム１０の通常発電制御時における動作について説明する。システムの通常発電制御時には、まず、燃料タンク２０から供給された改質用燃料が蒸発器３２により気化し、気化した改質用燃料が所定の供給量の改質用空気と混合して熱交換器３４により加熱され、加熱された改質用燃料と改質用空気との混合ガスが改質器３６においてアノードガスに改質され、このアノードガスが燃料電池スタック１２のアノードに供給される。一方、カソードガスが熱交換器５０により加熱され、起動燃焼器５２を通過して燃料電池スタック１２のカソードに供給される。

アノードガスとカソードガスが供給された燃料電池スタック１２では、電気化学反応により起電力が発生してＤＣ−ＤＣコンバータ６８に電力を供給するとともに、電気化学反応に使用されたアノードオフガスとカソードオフガスは排気燃焼器５８に導入される。そして、排気燃焼器５８は、アノードオフガス、カソードオフガスを混合した状態で燃焼して排気ガスを生成し、これが蒸発器３２及び熱交換器５０を通過して加熱する。

車両の運転中は、システム（バッテリ７０、駆動モータ７２）が要求する電力にほぼ比例する形でアノードガスの供給量（スロットル２８Ａ、スロットル４６Ｂの開度）、及びカソードガスの供給量（スロットル４６Ａの開度）がほぼ直線的に変化する。しかし、燃料電池スタック１２には、燃料電池スタック１２が発電可能な状態を維持するための電力、すなわちポンプ２４、コンプレッサー４０等の補機類を稼動させるための電力が必要である。よって、燃料電池スタック１２に対する要求電力がゼロであっても、燃料電池スタック１２は、少なくとも前述の補機類を稼動させるための電力を発電している。

［燃料電池システムの停止制御］
第１実施形態の燃料電池システム１０の停止制御は、制御部７８（停止制御部）により行われるが、車両停止後のドライバーによるイグニッションＯＦＦ操作（車両キーをＯＦＦにする操作）や、バッテリ７０がフル充電となり燃料電池スタック１２に対する発電要求が停止したことを契機に開始される。

本実施形態の燃料電池システム１０の停止制御は、燃料電池スタック１２の開放電圧（電圧）を停止時に許容される電圧にまで低下させることを主眼としている。許容される電圧とは、燃料電池システム１０が停止時に要求する放電要求電圧（例えば６０Ｖ）より低く、かつ燃料電池スタック１２のカソード電極の劣化を回避できる電圧よりも高い電圧（後述の目標電圧）であり、人体に触れても安全とされる電圧である。

燃料電池スタック１２の開放電圧は、カソードとアノードの酸素分圧差に依存する。また、燃料電池スタック１２の発電停止時において、カソードの酸素分圧は空気とほぼ同じとなるが、アノードの酸素分圧はほぼゼロである。よって、開放電圧を低下させるには、カソードの酸素分圧を低下させればよい。カソードの酸素分圧は、カソードに暖機制御で用いた燃焼ガスを供給することにより減少させることができる。しかし、カソードの酸素分圧が所定の値以下なるとカソード電極にスタベーションが発生して劣化（構造変換）する場合がある。

そこで、本実施形態の停止制御は、アノードガスの供給を停止して、起動燃焼器５２により燃焼ガスを燃料電池スタック１２のカソードに供給することにより行う。なお、停止制御では、ＤＣ−ＤＣコンバータ６８をＯＦＦにすることにより燃料電池スタック１２の発電を停止させ、発電に伴う発熱を回避する。

上記燃焼ガスに関連して、燃料電池スタック１２のカソード電極の劣化を回避できる下限の酸素分圧を実現する空気過剰率λａと、燃料電池スタック１２の開放電圧が放電要求電圧となるときの酸素分圧を実現する空気過剰率λｂを考える。すると、燃焼ガスの空気過剰率λ１の適正範囲は、１＜λａ≦λ１＜λｂとなる。ただし、λａは燃料電池スタック１２（カソード電極）の温度Ｔに依存し、λａ（Ｔ）となる。したがって、燃焼ガスの空気過剰率λ１の適正範囲は温度Ｔにより変化し、１＜λａ（Ｔ）≦λ１（Ｔ）＜λｂとなる。λａ（Ｔ）は、燃料電池スタック１２の温度が上昇するほど大きくなる傾向がある。よって、アノードガスを供給することなく、カソードに燃焼ガスを供給する場合、燃料電池スタック１２の開放電圧は、カソード電極の劣化を回避できる下限の酸素分圧のときに表れる電圧値が許容される下限値Ｖ（λａ（Ｔ））となるが、当該下限値Ｖ（λａ（Ｔ））は燃料電池スタック１２の温度が高いほど高くなる。なお、停止制御開始時の燃料電池スタック１２の温度Ｔは、通常発電制御終了直前の燃料電池スタック１２の発電量等に依存する。

よって、燃料電池スタック１２の温度Ｔにおいて前述の開放電圧が前述の下限値Ｖ（λａ（Ｔ））よりも低くならないように目標電圧Ｖを設定する必要がある。ここで、目標電圧Ｖは、Ｖ（λ１（Ｔ））として温度Ｔの関数として算出されるとともに、いずれの温度Ｔにおいても前述の下限値Ｖ（λａ（Ｔ））よりもやや高い値にすることが好適である。

また、燃焼ガスに関連して、起動燃焼器５２に供給する燃料の供給量Ｆｃｆを考えると、カソードに供給するカソードガスの供給量Ｆｃｃ、燃料電池スタック１２の温度Ｔ、空気過剰率λ１に依存し、Ｆｃｆ＝ｙ（λ１（Ｔ）、Ｆｃｃ）となる。本実施形態では、コンプレッサー４０の出力及びスロットル４６Ａの開度をそれぞれ最大にすることにより、起動燃焼器５２に供給するカソードガスの供給量を最大値Ｆｃｃｍａｘにすることが好適であり、この場合、Ｆｃｆ＝ｙ（λ１（Ｔ）、Ｆｃｃｍａｘ）となる。これにより、カソードガスが流通する通路４２Ａ，４２Ｄをいち早く所定の酸素濃度の燃焼ガスに入れ替えることができるとともに、燃料電池スタック１２の開放電圧を迅速に低下させることができる。

燃料電池スタック１２の開放電圧が目標電圧Ｖ（λ１（Ｔ））にまで低下した場合は、それぞれ、ポンプ２４、コンプレッサー４０をＯＦＦにし、給気遮断弁６２Ａ及び排気遮断弁６２Ｃを閉にし、その後、燃料電池スタック１２を放熱により自然冷却すればよい。

［燃料電池システムの停止制御の手順］
第１実施形態の燃料電池システム１０の停止制御の手順を図３のフローチャートに従って説明する。システムが停止制御を開始すると、ステップＳ２０１において、制御部７８（停止制御部）は、スロットル２８Ａ（改質用燃料供給部）、スロットル４６Ｂ（改質用空気供給部）、ＤＣ−ＤＣコンバータ６８をＯＦＦにし、流路遮断弁６２Ｂを閉にする。これによりアノードガスの供給が停止するので燃料電池スタック１２の発電が停止する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ６８をＯＦＦにすることにより、燃料電池スタック１２がバッテリ７０及び駆動モータ７２から電気的に絶縁して燃料電池スタック１２の正極及び負極が開放される。さらに、流路遮断弁６２Ｂを閉にすることにより通路２６Ｄを介した酸素を包含するガスの逆流を阻止し、アノード電極を保護することができる。

ステップＳ２０２において、制御部７８は、電圧計７４が測定した燃料電池スタック１２の開放電圧が放電要求電圧以上であるか否かを判断する。ステップＳ２０２において是（ＹＥＳ）と判断した場合、次のステップＳ２０３に移行し、否（ＮＯ）と判断した場合は後述のステップＳ２０９に移行する。

ステップＳ２０３において、制御部７８は、温度センサ７６Ａが測定した燃料電池スタック１２の温度（内部温度）から空気過剰率λ１（Ｔ）を算出する。ステップＳ２０４において、制御部７８は、空気過剰率λ１（Ｔ）に基づいて、燃料電池スタック１２の開放電圧の目標電圧Ｖ（λ１（Ｔ））を設定する。

ステップＳ２０５において、制御部７８は、カソードガスの供給量Ｆｃｃを所定量（最大）とするためスロットル４６Ａを所定の開度（最大）に制御する。ステップＳ２０６において、制御部７８は、カソードガス供給量Ｆｃｃ（スロットル４６Ａの開度）、及び空気過剰率λ１に基づいて燃焼用燃料供給量Ｆｃｆを算出する。

ステップＳ２０７において、制御部７８は、スロットル２８Ｂ及び起動燃焼器５２をＯＮにするとともに。加熱量燃料供給量Ｆｃｆに対応してスロットル２８Ｂの開度を制御する。これにより、起動燃焼器５２では、空気過剰率λ１（Ｔ）の燃焼ガスが生成され、通路４２Ａを通じて燃料電池スタック１２のカソードに供給される。そして、カソードにおける酸素分圧が低下し、燃料電池スタック１２の開放電圧は目標電圧Ｖ（λ１（Ｔ））に向けて低下していく。また、制御部７８が燃焼ガスを生成することにより、通路４２Ａ、燃料電池スタック１２、通路４２Ｄ、排気通路６４に燃焼ガスが流通する。

ステップＳ２０８において、制御部７８は、温度センサ７６Ａが測定する燃料電池スタック１２の温度が所定温度以上にまで上昇したか否か判断する。ステップＳ２０８において是（ＹＥＳ）と判断した場合は、ステップＳ２０９において、カソードガス供給量Ｆｃｃ及び燃焼用燃料供給量Ｆｃｆを所定の割合（両者を同じ割合で）で減少させ、燃焼ガスの酸素分圧を維持しながら燃料電池スタック１２に与える熱量を低下させ、燃料電池スタック１２の温度を少なくとも所定温度よりも低い温度まで低下させる。なお、カソードガス供給量Ｆｃｃ及び燃焼用燃料供給量Ｆｃｆは、後述（第２実施形態）の放熱量Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）に基づいて定めてもよい。一方、ステップＳ２０９において否（ＮＯ）と判断した場合は、カソードガス供給量Ｆｃｃ及び燃焼用燃料供給量Ｆｃｆをそのまま維持する。

ステップＳ２１０において、制御部７８は、電圧計７４が測定した燃料電池スタック１２の開放電圧が目標電圧Ｖ（λ１（Ｔ））にまで低下したか否か判断し、是（ＹＥＳ）と判断した場合は、次のステップＳ２１１に移行し、否（ＮＯ）と判断した場合はステップＳ２０８に戻る。

以後、制御部７８は、ステップＳ２１１においてコンプレッサー４０、ポンプ２４及び起動燃焼器５２をＯＦＦにし、ステップＳ２１２において給気遮断弁６２Ａ及び排気遮断弁６２Ｃを閉にすることにより停止制御が終了する。このとき、通路４２Ａ、燃料電池スタック１２、通路４２Ｄ、排気通路６４は、気密が保たれ燃焼ガスの酸素分圧がほぼ維持された状態となり、その後、燃料電池スタック１２は自然冷却される。

なお、上記停止制御において、スロットル２８Ａ，スロットル４６ＢのＯＮにしたままにし、アノードガスを燃料電池スタック１２に供給したままでもよい。この場合、ステップＳ２０１において、流路遮断弁６２Ｂは開のままにしておく。また、アノードガスが燃料電池スタック１２のアノードに供給されても、ＤＣ−ＤＣコンバータ６８をＯＦＦにしているので、燃料電池スタック１２が発電（電力供給）することはない。一方、ステップＳ２０７以降では、排気燃焼器５８に導入された燃焼ガスとアノードガスが混合され、これが燃焼して排気ガスとなる。しかし、前述のステップＳ２１２において、流路遮断弁６２Ｂを閉にすることにより、排気燃焼器５８における燃焼も停止する。

図４は、燃料電池スタックの開放電圧を放電回路により低下させたときの推移を表す図である。図５は、燃料電池スタックの開放電圧を燃焼ガスにより低下させたときの推移を表す図である。図４に示すように、通常発電制御の終了後、停止制御開始時（時刻ｔ０）において燃料電池スタック１２の開放電圧が、放電要求電圧Ｖ１（例えば６０Ｖ）以上である場合、停止制御において燃料電池スタック１２の開放電圧を低下させる。

図４に示すように、放電回路を用いて開放電圧を低下させると、カソード電極の周囲の酸素を消費してカソード電極の周囲の酸素濃度が低下する。燃料電池スタック１２のカソードに接続する通路には高い分圧の酸素が残留するが、その酸素がカソード電極にまで拡散するには一定の時間がかかる。これにより、燃料電池スタック１２の開放電圧は、カソード電極のスタベーションによる劣化を回避できる下限の電圧Ｖ（λａ（Ｔ））に関わらず、開放電圧がＶ（λａ（Ｔ））以下にまで低下し、カソード電極が劣化することになる。

しかし、図５に示すように、本実施形態では、燃料電池スタック１２のカソード、及びカソードにカソードガスを供給する通路を所定の酸素分圧を有する燃焼ガスを流通させている。この燃焼ガスは、Ｖ（λａ（Ｔ））よりやや高い目標温度Ｖ（λ１（Ｔ））を実現する空気過剰率λ１（Ｔ）を有するように設定することができる。よって、カソード電極の劣化を回避しつつ燃料電池スタック１２の開放電圧をＶ（λａ（Ｔ））よりやや高い値に収束させることができる。

［第１実施形態の燃料電池システムの効果］
本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、燃料電池スタック１２（燃料電池）の停止制御として、スロットル４６Ａ（カソードガス供給部）からのカソードガス供給量を所定量（最大）とする制御と、カソードガス供給量に対応した供給量の燃焼用燃料（燃焼）をスロットル２８Ｂ（燃料供給部）から供給する制御と、を行う制御部７８（停止制御部）を備えている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池システム１０及びその制御方法によれば、燃料電池スタック１２（燃料電池）の停止制御として、燃料電池スタック１２の通路４２Ａ（カソードガス供給ライン）に配置された起動燃焼器５２（燃焼器）に燃焼用燃料（燃料）とカソードガスを供給して燃焼ガスを生成し、燃焼ガスを燃料電池スタック１２（燃料電池）に供給するとともに、カソードガス供給量を所定量とし、かつカソードガス供給量に対応した供給量の燃焼用燃料（燃料）を起動燃焼器５２（燃焼器）に供給している。これにより、燃料電池スタック１２のカソード、及びカソードに連通する通路に所定の酸素分圧を有する燃料ガスを流通させるので、カソード電極を劣化させることなく、燃料電池スタック１２の開放電圧を短時間で目標電圧Ｖまで収束させることができる。

制御部７８（停止制御部）は、燃料電池スタック１２の開放電圧（電圧）が放電要求電圧以上である場合に、停止制御を行っている。これにより、停止制御開始時の開放電圧が放電要求電圧より低ければ停止制御を行う必要はないので、その分燃焼用燃料の消費量を削減することができる。

通路４２（カソードガス供給ライン）に取り付けられた給気遮断弁６２Ａと、燃料電池スタック１２（燃料電池）からの排気ガスを排出する排気通路６４（排気ライン）に取り付けられた排気遮断弁６２Ｃと、を備え、制御部７８（停止制御部）は、燃料電池スタック１２（燃料電池）の開放電圧（電圧）が放電要求電圧よりも低い所定の目標電圧Ｖにまで低下したときに、ポンプ２４（燃料供給部）の停止、コンプレッサー４０（カソードガス供給部）の停止、給気遮断弁６２Ａ及び排気遮断弁６２Ｃの閉止を行っている。これにより、停止制御後において、カソード及びアノードの気密が保たれ酸素分圧が維持されるので、その後の燃料電池スタック１２の自然冷却の際もカソード電極、及びアノード電極の劣化を回避することができる。

燃料電池スタック１２（燃料電池）の温度を推定、若しくは検出する温度センサ７６Ａ（温度検出部）を備え、制御部７８（停止制御部）は、燃料電池スタック１２（燃料電池）の温度が所定温度以上に上昇したときに、カソードガス及び燃焼用燃料（燃料）の供給量を減少させている。これにより、停止制御時における燃料電池スタック１２の温度上昇を回避することができる。

所定温度は、燃料電池スタック１２（燃料電池）の耐熱温度に設定される。これにより、燃料電池スタック１２の破損を回避することができる。

制御部７８（停止制御部）は、スロットル４６Ａ（カソードガス供給部）からのカソードガス供給量を最大にする。これにより、燃焼ガスを燃料電池スタック１２のアノード及びアノードに接続する通路２６Ａ，２６Ｄに迅速に供給し、燃料電池スタック１２の開放電圧を迅速に低下させることができる。

制御部７８（停止制御部）は、燃料電池スタック１２（燃料電池）の温度に対応する空気過剰率λ１（Ｔ）に基づき、燃焼用燃料（燃料）の供給量を制御している。これにより、燃料電池スタック１２の温度に対応して開放電圧の目標温度Ｖ（λ１（Ｔ））を設定することができる。

空気過剰率λ１（Ｔ）は、起動燃焼器５２（燃焼器）で生成され燃料電池スタック１２（燃料電池）に供給される燃焼ガス中の酸素分圧が、燃料電池スタック１２（燃料電池）のカソード電極のスタベーションを回避できる下限の分圧以上となるように設定される。これにより、燃料電池スタック１２の温度に対応して開放電圧の目標温度Ｖ（λ１（Ｔ））をカソード電極の劣化を回避する開放電圧の下限値Ｖ（λａ（Ｔ））近傍に設定することができる。

空気過剰率λ１（Ｔ）は、起動燃焼器５２（燃焼器）で生成され燃料電池スタック１２（燃料電池）に供給される燃焼ガスの酸素分圧が、燃料電池スタック１２（燃料電池）の開放電圧（電圧）が放電要求電圧よりも低くなるときの酸素分圧となるように設定される。これにより、燃焼ガスにより燃料電池スタック１２の開放電圧を少なくとも放電要求電圧Ｖ１よりも確実に低くすることができる。

［第２実施形態の停止制御］
第２実施形態及び以後の実施形態の基本構成、暖気制御、通常発電制御は、第１実施形態と共通であるが、停止制御において第１実施形態と異なる。

停止制御中、燃料電池スタック１２は放熱しているが、その放熱量Ｑは、燃料電池スタック１２の温度Ｔと、温度センサ７６Ｃにより測定される燃料電池スタック１２の周囲温度Ｔｃとの差分が大きくなるほど大きくなり、Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）と表すことができる。

よって、停止制御を行う場合、カソードに供給するカソードガスの供給量Ｆｃｃ、カソードに供給する燃焼用燃料の供給量Ｆｃｆをそれぞれ、Ｆｃｃ［Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）］、Ｆｃｆ［Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）］とし、Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）に依存して各供給量を調整して、燃料電池スタック１２の放熱量よりも燃焼ガスとアノードガスのトータルの熱量が大きくならないようにし、燃料電池スタック１２の温度上昇を回避することが好適である。

例えば、Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）が、所定の値以下になった場合に各供給量を同じ割合で小さくした所定の量に設定し、あるいはＱ（Ｔ−Ｔｃ）の減少量に比例して各供給量を同じ割合で減少させ、アノード及びカソードの酸素分圧をそれぞれ維持しつつ燃焼ガス及びアノードガスのトータルの熱量を小さくすればよい。

［第２実施形態の停止制御の手順］
第２実施形態の燃料電池システムの停止制御の手順を図６のフローチャートに従って説明する。第２実施形態では、燃料電池スタック１２の放熱量に基づいて燃焼ガスの供給量を調整する点で第１実施形態と相違する。なお、以後の説明において、第１実施形態と制御が共通する部分については必要な場合を除いて説明を省略する。

システムが停止制御を開始すると、前述の第１実施形態と同様に、ステップＳ２０１、ステップＳ２０２、ステップＳ２０３、ステップＳ２０４を実行する。

ステップＳ２０４の後、ステップＳ２０５ａにおいて、温度センサ７６Ａが測定した燃料電池スタック１２の温度（内部温度）と、温度センサ７６Ｂが測定した燃料電池スタック１２の周囲温度Ｔｃとの差分から燃料電池スタック１２の放熱量Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）を算出する。

ステップＳ２０６ａにおいて、制御部７８は、放熱量Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）及び空気過剰率λ１（Ｔ）から、カソードガス供給量Ｆｃｃ及び燃焼用燃料供給量Ｆｃｆを算出する。

ステップＳ２０７ａにおいて、制御部７８は、カソードガス供給量Ｆｃｃに対応してスロットル４６Ａの開度を制御し、またスロットル２８Ｂ及び起動燃焼器５２をＯＮにするとともに燃焼用燃料供給量Ｆｃｆに対応してスロットル２８Ｂの開度を制御する。

これにより、前述同様に空気過剰率λ１（Ｔ）の燃焼ガスが通路４２Ａ、燃料電池スタック１２、通路４２Ｄ、排気通路６４に流通し、燃料電池スタック１２の開放電圧は目標電圧Ｖ（λ１（Ｔ））に向けて低下していく。その後は、前述のステップＳ２０８、ステップＳ２０９を省略してステップＳ２１０へと移行する。

［第２実施形態の効果］
第２実施形態では、燃料電池スタック１２（燃料電池）の温度を推定、若しくは検出する温度センサ７６Ａ（温度検出部）と、燃料電池スタック１２（燃料電池）の周囲温度を検出する温度センサ７６Ｂ（周囲温度検出部）と、を備える。そして、制御部７８（停止制御部）は、燃料電池スタック１２（燃料電池）の温度と前記周囲温度により演算した燃料電池スタック１２の放熱量に基づいてカソードガスの供給量、及び燃焼用燃料（燃料）の供給量を制御している。これにより、停止制御において燃料電池スタック１２の温度上昇を回避することができる。

［第３実施形態の停止制御］
第３実施形態では、停止制御においてアノードガスの供給を継続し、アノードガスに所定の分圧の酸素を含有させて燃料電池スタック１２のカソードとアノードの酸素分圧差を小さくすることにより燃料電池スタック１２の開放電圧を小さくするとともに、アノードガス中の酸素分圧を制御してアノード電極の劣化を回避することを主眼としている。

前述のように、燃料電池スタック１２の開放電圧は、カソードとアノードの間の酸素分圧差に依存する。よって、開放電圧を低下させるには、カソードの酸素分圧を低下させる、及び／若しくは、アノードの酸素分圧を上昇させることにより低下させることができる。カソードの酸素分圧は、カソードに暖機制御で用いた燃焼ガスを供給することにより減少させることができる。アノードの酸素分圧を上昇させるには改質器３６等に供給する改質用空気の供給量を増加させればよい。

ここで、燃料電池スタック１２のアノードにおける空気過剰率λ（後述のλ２）は、（改質用空気の供給量）／（改質用燃料の供給量）に依存した値と定義することができる。改質器３６に供給される改質用空気の供給量と、当該供給量の改質用空気（酸素）により改質可能な改質用燃料の最大の供給量を考えたとき、空気過剰率λは１となる。空気過剰率λが１のときアノードガス中の酸素分圧はゼロであるが、１よりも大きくなるにつれて酸素分圧が上昇する。

燃料電池スタック１２のアノード電極は、所定の酸素分圧環境に晒されると劣化（酸化）する。そしてアノードの電極の劣化を回避する酸素分圧の上限は、温度により変化し、所定温度（劣化反応温度）を越えると急激に減少する曲線を描く。よって、停止制御時において、燃料電池スタック１２のアノードにおける空気過剰率λ２（Ｔ）、アノードの劣化を回避する酸素分圧を実現する空気過剰率λｃ（Ｔ）を考えると、１≦λ２（Ｔ）≦λｃ（Ｔ）となる。

本実施形態では、空気過剰率λ２（Ｔ）は、改質用空気を供給するスロットル４６Ｂの開度を最大にしたときの、改質用燃料を供給するスロットル２８Ａの開度を制御することにより行う。このとき、アノードに供給されるカソードガスの供給量Ｆａｃｍａｘにより、アノードに供給される改質用燃料の供給量ＦａｆはＦａｆ（λ２（Ｔ）、Ｆａｃｍａｘ）となる。カソードに流れるカソードガス、アノードに流れる改質用空気をそれぞれ最大供給量にすることにより、燃料電池スタック１２の開放電圧を迅速に低下させることができる。

本実施形態の停止制御を行う場合、アノードガスには所定の分圧の酸素が存在することになるので、上記目標電圧Ｖは、例えばＶ（λ１（Ｔ）−λ２（Ｔ）＋１）の関数と考えることができる。すなわちλ１（Ｔ）＝λ２（Ｔ）であれば、カソードとアノードとの酸素分圧差はなくなるので、Ｖ（１）＝０と設定することができる。

燃料電池スタック１２の開放電圧が目標電圧Ｖ（λ１（Ｔ）−λ２（Ｔ）＋１）にまで低下した場合は、それぞれ、ポンプ２４、コンプレッサー４０をＯＦＦにし、給気遮断弁６２Ａ及び排気遮断弁６２Ｃを閉にし、その後、燃料電池スタック１２を放熱により自然冷却すればよい。

［第３実施形態の停止制御の手順］
第３実施形態の燃料電池システムの停止制御の手順を図７のフローチャートに従って説明する。システムが停止制御を開始すると、ステップＳ２０１ｂにおいて、制御部７８はＤＣ−ＤＣコンバータ６８をＯＦＦにし燃料電池スタック１２の発電（電力供給）を停止するが、アノードガス及びカソードガスの供給を継続させる。

ステップＳ２０２において制御部７８が是（ＹＥＳ）と判断した場合は、ステップＳ２０３ｂに移行し、否（ＮＯ）と判断した場合はステップＳ２１１に移行する。

ステップＳ２０３ｂにおいて、制御部７８は、温度センサ７６Ａが測定する燃料電池スタック１２の温度から起動燃焼器５２で生成する燃焼ガスの空気過剰率λ１（Ｔ）、及びアノードガスの空気過剰率λ２（Ｔ）を算出する。

ステップＳ２０４ｂにおいて、制御部７８は、λ１（Ｔ）及びλ２（Ｔ）から目標電圧Ｖ（λ１（Ｔ）−λ２（Ｔ）＋１）を設定し、その後第１実施形態と同様にステップＳ２０５、ステップＳ２０６へ移行する。

ステップＳ２０６の後、ステップＳ２０６ｂにおいて、制御部７８は、停止制御における改質用空気供給量Ｆａｃの設定値（最大）とλ２（Ｔ）により改質用燃料供給量Ｆａｆを算出する。

ステップＳ２０７ｂにおいて、制御部７８は、スロットル２８Ｂ及び起動燃焼器５２をＯＮにするとともに、スロットル２８Ｂの開度を燃焼用燃料供給量Ｆｃｆ（ステップＳ２０６）に基づき制御する。これにより、これにより、前述同様に空気過剰率λ１（Ｔ）の燃焼ガスが通路４２Ａ、燃料電池スタック１２、通路４２Ｄ、排気通路６４を流通する。

ステップＳ２０７ｃにおいて、制御部７８は、スロットル２８Ａの開度を改質用燃料供給量Ｆａｆに基づき制御し、スロットル４６Ｂの開度を改質用空気供給量Ｆａｃに基づき制御する。これにより、アノードには空気過剰率λ２（Ｔ）のアノードガスが供給され、燃料電池スタック１２の開放電圧は目標電圧Ｖ（λ１（Ｔ）−λ２（Ｔ）＋１）に向けて低下していく。また燃料電池スタック１２を通過したアノードガスは排気燃焼器５８で燃焼ガスと混合して燃焼され、排気ガスとして排気通路６４を流通する。その後は、前述のステップＳ２０８に移行する。

［第３実施形態の効果］
第３実施形態では、燃料電池スタック１２（燃料電池）のアノードに供給する改質用空気を供給するスロットル４６Ｂ（空気供給部）を備え、制御部７８（停止制御部）は、スロットル４６Ｂ（空気供給部）の改質用空気供給量を最大にしている。これにより、所定の酸素分圧を有するアノードガスを供給することができる。

燃料電池スタック１２（燃料電池）のアノードに改質用燃料を供給するスロットル２８Ａ（改質用燃料供給部）と、燃料電池スタック１２（燃料電池）の温度を推定、若しくは検出する温度センサ７６Ａ（温度検出部）と、を備え、制御部７８（停止制御部）は、燃料電池スタック１２（燃料電池）の温度に対応する空気過剰率λ２（Ｔ）に基づき改質用燃料供給量を制御している。これにより、燃料電池スタック１２の温度、及びカソードとアノードとの酸素分圧差に対応して、燃料電池スタック１２の開放電圧の目標温度Ｖ（λ１（Ｔ）―λ２（Ｔ）＋１）を設定することができる。

空気過剰率λ２は、アノード中の酸素分圧が燃料電池スタック１２（燃料電池）のアノード電極の劣化を回避できる上限の酸素分圧以下となるように設定される。これにより、アノードの劣化を回避しつつ燃料電池スタック１２のカソードとアノードとの酸素分圧差に対応して燃料電池スタック１２の開放電圧を低下させることができる。

制御部７８（停止制御部）は、燃料電池スタック１２（燃料電池）の開放電圧（電圧）が放電要求電圧よりも低い目標電圧Ｖ（λ１（Ｔ）―λ２（Ｔ）＋１）に到達したときに、スロットル２８Ｂ（燃料供給部）の停止、スロットル４６Ａ（カソードガス供給部）の停止、スロットル２８Ａの停止、スロットル４６Ｂ（空気供給部）の停止、給気遮断弁６２Ａ及び排気遮断弁６２Ｃの閉止を行う。これにより、停止制御後において、カソード及びアノードの気密が保たれ、カソード及びアノードの酸素分圧がそれぞれ維持されるので、その後の燃料電池スタック１２の自然冷却の際もカソード電極、及びアノード電極の劣化を回避することができる。

［第４実施形態の停止制御の手順］
第４実施形態の燃料電池システムの停止制御の手順を図８のフローチャートに従って説明する。第４実施形態では、第３実施形態の制御において、第２実施形態と同様に燃料電池スタック１２の放熱量に基づいて燃焼ガス及びアノードガスの供給量を調整している。

本実施形態の停止制御を行う場合、カソードに供給するカソードガスの供給量Ｆｃｃ、カソードに供給する燃焼用燃料の供給量Ｆｃｆ、アノードに供給する改質用空気の供給量Ｆａｃ、アノードに供給する改質用燃料の供給量Ｆａｆを、それぞれＦｃｃ［Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）］、Ｆｃｆ［Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）］、Ｆａｃ［Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）］、Ｆａｆ［Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）］とし、Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）に依存して各供給量を調整して、燃料電池スタック１２の放熱量よりも燃焼ガスとアノードガスのトータルの熱量が大きくならないようにし、燃料電池スタック１２の温度上昇を回避することが好適である。

システムが停止制御を開始すると、制御部７８は、第３実施形態と同様に、ステップＳ２０１ｂ、ステップＳ２０２、ステップＳ２０３ｂ、ステップＳ２０４ｂを順に実行し、次に第２実施形態と同様に、ステップＳ２０５ａ、ステップＳ２０６ａを実行する。

ステップＳ２０６ａの後、ステップＳ２０６ｃにおいて、制御部７８は、放熱量Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）及び空気過剰率λ２（Ｔ）から、改質用空気供給量Ｆａｃ及び改質用燃料供給量Ｆａｆを算出する。

ステップＳ２０７ｄにおいて、制御部７８は、スロットル４６Ａの開度をカソードガス供給量Ｆｃｃに基づき制御し、スロットル２８Ｂの開度を燃焼用燃料供給量Ｆｃｆに基づき制御する。ステップＳ２０７ｅにおいて、制御部７８は、スロットル４６Ｂの開度を改質用空気供給量Ｆａｃに基づき制御し、スロットル２８Ａの開度を改質用燃料供給量Ｆａｆに基づき制御する。ステップＳ２０７ｄ及びステップＳ２０７ｅにより、第３実施形態と同様に、燃料電池スタック１２の開放電圧は目標電圧Ｖ（λ１（Ｔ）−λ２（Ｔ）＋１）に向けて低下していく。その後は、前述のステップＳ２１０に移行する。

［第４実施形態の効果］
第４実施形態では、燃料電池スタック１２（燃料電池）の温度を推定、若しくは検出する温度センサ７６Ａ（温度検出部）と、燃料電池スタック１２（燃料電池）の周囲温度を検出する温度センサ７６Ｂ（周囲温度検出部）と、を備える。そして、制御部７８（停止制御部）は、燃料電池スタック１２（燃料電池）の温度と前記周囲温度により演算した放熱量に基づいてカソードガスの供給量、燃焼用燃料（燃料）の供給量、改質用空気の供給量、改質用燃料の供給量を制御している。これにより、停止制御において燃料電池スタック１２の温度上昇を回避することができる。

第２実施形態及び第４実施形態においては、燃料電池スタック１２の放熱量Ｑ（Ｔ−Ｔｃ）に基づき、燃焼ガス、アノードガスの供給量を制御していたが、このような制御にも関わらず燃料電池スタック１２の温度が所定温度（耐熱温度）以上にまで上昇する場合には、図３に示すステップＳ２０８、ステップＳ２０９の制御を行えばよい。

いずれの実施形態の停止制御においても、目標電圧ＶはＶ（λａ（Ｔ））よりやや高い値となるように設定していた。このため目標電圧Ｖは燃料電池スタック１２の温度に依存して変化するものであった。しかし、目標電圧Ｖは、Ｖ（λａ（Ｔ））＜Ｖ＜Ｖ１（放電要求電圧）の範囲であれば任意に設定することができる。例えば、目標電圧ＶをＶ（λａ（Ｔ））とＶ１との中間域の電圧に設定した場合には、Ｖ（λａ（Ｔ））の温度変動に関わらず、Ｖ（λａ（Ｔ））と目標電圧Ｖの大小関係に変化はない。よって、この場合、目標電圧Ｖは当該中間域となる所定の電圧値に固定することができる。そして、燃料電池スタック１２の停止制御では、燃料電池スタック１２の温度に関わらずスロットル４６Ａからのカソードガス供給量を所定量（固定）とし、かつ当該カソードガス供給量に対応した供給量（固定）の燃焼用燃料をスロットル２８Ｂから供給することができる。すなわち、空気過剰率λを、燃料電池スタック１２の温度に依存しない所定値に固定することができる。当該所定値は燃料電池スタック１２の開放電圧を目標温度Ｖに収束させる値でもよいし、Ｖ（λａ（Ｔ））よりも高くかつ目標電圧Ｖよりも低い所定の電圧に収束させる値でもよい。

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。

本願は、２０１５年１２月２５日に日本国特許庁に出願された特願２０１５−２５４１８８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. 固体酸化物型の燃料電池と、
   前記燃料電池のカソードガス供給ラインに配置された燃焼器と、
   前記燃焼器に燃料を供給する燃料供給部と、
   前記カソードガス供給ラインにカソードガスを供給するカソードガス供給部と、を備え、
   前記燃料電池の停止を契機に、前記燃料電池の停止制御として、前記カソードガス供給部からのカソードガス供給量を所定量とする制御と、前記カソードガス供給量に対応した供給量の前記燃料を前記燃料供給部から供給する制御と、を行う停止制御部を備える
   固体酸化物型燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出部を備え、
   前記停止制御部は、
   前記燃料電池の電圧が放電要求電圧以上である場合に、前記停止制御を行う
   固体酸化物型燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
   前記カソードガス供給ラインに取り付けられた給気遮断弁と、
   前記燃料電池からの排気ガスを排出する排気ラインに取り付けられた排気遮断弁と、を備え、
   前記停止制御部は、
   前記燃料電池の電圧が前記放電要求電圧よりも低い所定の目標電圧にまで低下したときに、前記燃料供給部の停止、前記カソードガス供給部の停止、前記給気遮断弁及び前記排気遮断弁の閉止を行う
   固体酸化物型燃料電池システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の温度を推定、若しくは検出する温度検出部を備え、
   前記停止制御部は、
   前記燃料電池の温度が所定温度以上に上昇したときに、前記カソードガス及び前記燃料の供給量を減少させる
   固体酸化物型燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
   前記所定温度は、前記燃料電池の耐熱温度に設定される
   固体酸化物型燃料電池システム。
6. 請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の温度を推定、若しくは検出する温度検出部と、
   前記燃料電池の周囲温度を検出する周囲温度検出部と、を備え、
   前記停止制御部は、
   前記燃料電池の温度と前記周囲温度により演算した前記燃料電池の放熱量に基づいて前記燃料の供給量を制御する
   固体酸化物型燃料電池システム。
7. 請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
   前記停止制御部は、
   前記カソードガス供給部からの前記カソードガス供給量を最大にする
   固体酸化物型燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の温度を推定、若しくは検出する温度検出部を備え、
   前記停止制御部は、
   前記燃料電池の温度に対応する空気過剰率λ１に基づき、前記燃料の供給量を制御する
   固体酸化物型燃料電池システム。
9. 請求項８に記載の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
   前記空気過剰率λ１は、前記燃焼器で生成され前記燃料電池に供給される燃焼ガス中の酸素分圧が、前記燃料電池のカソード電極のスタベーションを回避できる下限の分圧以上となるように設定される
   固体酸化物型燃料電池システム。
10. 請求項９に記載の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
    前記空気過剰率λ１は、前記燃焼器で生成され前記燃料電池に供給される燃焼ガスの酸素分圧が、前記燃料電池の電圧が放電要求電圧よりも低くなるときの酸素分圧となるように設定される
    固体酸化物型燃料電池システム。
11. 請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池のアノードに供給する改質用空気を供給する空気供給部を備え、
    前記停止制御部は、
    前記空気供給部の改質用空気供給量を最大にする
    固体酸化物型燃料電池システム。
12. 請求項１１に記載の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池のアノードに改質用燃料を供給する改質用燃料供給部と、
    前記燃料電池の温度を推定、若しくは検出する温度検出部と、を備え、
    前記停止制御部は、
    前記燃料電池の温度に対応する空気過剰率λ２に基づき改質用燃料供給量を制御する
    固体酸化物型燃料電池システム。
13. 請求項１２に記載の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
    前記空気過剰率λ２は、前記アノード中の酸素分圧が前記燃料電池のアノード電極の劣化を回避できる上限の酸素分圧以下となるように設定される
    固体酸化物型燃料電池システム。
14. 請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、
    前記カソードガス供給ラインに取り付けられた給気遮断弁と、
    前記燃料電池からの排気ガスを排出する排気ラインに取り付けられた排気遮断弁を備え、
    前記停止制御部は、
    前記燃料電池の電圧が放電要求電圧よりも低い目標電圧に到達したときに、
    前記燃料供給部の停止、前記カソードガス供給部の停止、前記空気供給部の停止、前記給気遮断弁及び前記排気遮断弁の閉止を行う
    固体酸化物型燃料電池システム。
15. 固体酸化物型の燃料電池の停止を契機に、前記燃料電池のカソードガス供給ラインに配置された燃焼器に燃料とカソードガスを供給して燃焼ガスを生成するとともに、前記燃焼ガスを前記燃料電池に供給する、前記燃料電池の停止制御を実行し、
    前記停止制御において、カソードガス供給量を所定量とし、かつ前記カソードガス供給量に対応した供給量の燃料を前記燃焼器に供給する
    固体酸化物型燃料電池システムの制御方法。
16. 請求項１５に記載の固体酸化物型燃料電池システムの制御方法において、
    前記燃料電池の電圧が放電要求電圧以上である場合に、前記停止制御を行う
    固体酸化物型燃料電池システムの制御方法。
17. 請求項１６に記載の固体酸化物型燃料電池システムの制御方法において、
    前記燃料電池の電圧が前記放電要求電圧よりも低い所定の目標電圧にまで低下したときに、前記燃料及び前記カソードガスの供給を停止し、かつ前記カソードガス供給ラインに取り付けられた給気遮断弁及び前記燃料電池からの排気ガスを排出する排気ラインに取り付けられた排気遮断弁の閉止を行う
    固体酸化物型燃料電池システムの制御方法。

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