JP7156546B2 - 燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Description

この発明は、燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法に関する。
ＪＰ２０１６－１２２５０７Ａは、改質ガスと酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、燃料電池から排出された排出ガスを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスと熱交換することで改質ガスの原料となる燃料を改質可能な改質器を備える燃料電池モジュールにおいて、燃料電池モジュールからの電力取り出し停止後、燃料電池モジュール温度が、酸化剤ガスが燃料電池モジュールの燃料極側に逆流を開始する温度となると燃料電池に間欠的に燃料を追加供給する技術を開示している。
しかし、システムが発電停止命令を受けてただちに燃料供給を停止させると、改質器において改質ガスが滞留して当該改質ガスの熱交換が進行し、当該改質ガスが燃料電池スタックの耐熱上限温度を超える高温の改質ガスとなる。またシステムを小型にすると燃料電池スタックと燃焼器とを接続する通路が短くなるため、酸化剤ガスが燃料極側に逆流するまでの時間が短くなる。よって、前記のように燃料を追加供給する場合、システムが発電停止命令を受けてから前記の追加供給を行うまでの時間が短くなるため、高温の改質ガスが温度低下しないまま燃料電池スタックに供給される虞がある。
そこで、本発明は、システム停止命令後に燃料を追加供給する場合に燃料電池スタックの耐熱上限温度を超える改質ガスが燃料電池スタックに供給されることを回避する燃料電池システム、及び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。
本発明のある態様によれば、改質ガスと酸化剤ガスが供給されて発電可能な固体酸化物型の燃料電池と、酸化剤ガスを燃料電池に供給する酸化剤ガス供給装置と、改質ガスを燃料電池に供給する改質部と、改質ガスの原料となる燃料を改質部に供給する燃料供給装置と、燃料電池の排出ガスを燃焼する燃焼部と、を備える燃料電池システムである。ここで、改質部は、燃焼部が生成する燃焼ガスと熱交換することで燃料を改質ガスに改質可能である。そして、システム停止時に酸化剤ガスが燃料電池の燃料極下流から流入することを防止するために改質部を通じて燃料を燃料電池に追加供給する制御を燃料供給装置に対して行う第１制御部が設けられる。さらに、システム停止時に燃料電池に流入する改質ガスの温度が所定の温度を超えないように追加供給の前に改質部に燃料を供給する第２制御部を備える。
図１は、本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、システム停止命令時に取り出し電流、アノードガス流量、カソードガス流量をそれぞれゼロにした場合における改質器の出口温度（アノードガスの温度）の変化を示すタイムチャートである。 図３は、システム停止命令時にアノードガス流量及びカソードガス流量徐々に減少させてゼロにした場合における改質器の出口温度（アノードガスの温度）の変化を示すタイムチャートである。 図４は、燃料電池スタックが高負荷状態のときにシステム停止命令があった場合であって、システム停止命令時に取り出し電流をゼロにし、且つアノードガス流量及びカソードガス流量を徐々に減少させてゼロにした場合の燃焼器の温度（燃焼ガスの温度）及び改質器の出口温度（アノードガスの温度）の変化を示すタイムチャートである。 図５は、燃料供給量及び取り出し電流を算出する制御ロジックを示す図である。 図６は、システム停止命令から燃料供給を停止するまでの手順を示すフローチャートである。 図７は、燃料電池スタックが高負荷状態のときにシステム停止命令があった場合であって、システム停止命令時に取り出し電流、アノードガス流量、カソードガス流量を徐々に減少させてゼロにした場合の燃焼器の温度（燃焼ガスの温度）及び改質器の出口温度（アノードガスの温度）の変化を示すタイムチャートである。
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、本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。本実施系形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック１（燃料電池）にアノードガス（改質ガス）を供給する燃料供給系統と、燃料電池スタック１に空気（カソードガス、酸化剤ガス）を供給する空気供給系統と、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガス（アノードガス）及びカソードオフガス（カソードガス）を燃焼する燃焼系統と、燃料電池スタック１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、主に車両（電動車両）に搭載される。
燃料供給系統は、タンク２１、ポンプ２２（燃料供給装置）、インジェクタ２３，２４（燃料供給装置）、改質器２５（改質部）を含む。空気供給系統は、コンプレッサー３１、熱交換器３２を含む。燃焼系統は燃焼器４（燃焼部）を含む。駆動系統は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、駆動モータ６３を含む。また、燃料電池システムは、システム全体の動作を制御する制御部７（第１制御部、第２制御部、第３制御部）を含む。
燃料電池スタック１は、固体酸化物型の燃料電池（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、改質器２５により改質されたアノードガス（改質ガス）が供給されるアノード（燃料極）と、カソードガス（酸化剤ガス）として酸素を含む空気が供給されるカソード（空気極）により挟み込んで得られる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（アノードガスを含有する）とカソードオフガス（酸素を含有する）を排出する。
燃料電池スタック１は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給する通路１１、カソードガスを燃料電池スタック１に供給する通路１２、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガス（アノードガス）を燃焼器４側に排出する通路１３、燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガス（カソードガス）を燃焼器４側に排出する通路１４に接続されている。ここで、通路１３及び通路１４は合流路１５により合流しており、合流路１５は燃焼器４に接続されている。
ここで、アノードとは、燃料電池スタック１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１の内部通路（通路１１に接続する）、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１の内部通路（通路１３に接続する）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１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１の内部通路（通路１２に接続する）、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１の内部通路（通路１４に接続する）も含むものとする。
燃料供給系統は、タンク２１、ポンプ２２、インジェクタ２３、改質器２５をこの順で直列に接続するメイン通路２６と、メイン通路２６のポンプ２２とインジェクタ２３との間となる位置から分岐して燃焼器４に接続するサブ通路２７があり、サブ通路２７にはインジェクタ２４が介装されている。
タンク２１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の燃料を蓄えるものであり、ポンプ２２は、燃料を吸引して一定の圧力でインジェクタ２３，２４に燃料を供給するものである。
インジェクタ２３，２４は、ポンプ２２により燃料が圧入されるノズルボディ（不図示）と、ノズルボディの先端にある燃料噴射孔（不図示）を閉止する方向に付勢されたプランジャロッド（不図示）と、プランジャロッドを当該付勢の方向とは逆方向に移動させるソレノイド（不図示）を備える。インジェクタ２３，２４において、ソレノイドに制御電流を印加することでソレノイドがプランジャロッドを当該逆方向に移動させるように駆動し、これによりプランジャロッドが燃料噴射孔を開放して燃料を噴射する。また、制御電流を停止することでソレノイドの駆動を停止させ、プランジャロッドが付勢力により移動して燃料噴射孔を閉止して燃料の噴射を停止させる。インジェクタ２３，２４において、燃料噴射孔の開放・閉止のデューティー比は、制御電流のオン・オフのデューティー比に依存する。よって、インジェクタ２３，２４は、制御電流のデューティー比を調整することで噴射する燃料の流量を調整することができる。
改質器２５は、インジェクタ２３から供給された燃料を、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１に供給するものである。改質器２５は、燃焼器４から排出された燃焼ガスと熱交換することで、インジェクタ２３から供給された燃料を気化させ、気化燃料を触媒反応によりアノードガスに改質しつつ燃料電池スタック１で電気化学反応（発電反応）が可能な温度にまで加熱し、当該アノードガスを燃料電池スタック１に供給することができる。
コンプレッサー３１（酸化剤ガス供給装置）は、外気を取り入れて空気（カソードガス）を熱交換器３２に供給するものである。熱交換器３２は、燃焼器４から排出された燃焼ガスと熱交換することで空気を燃料電池スタック１で電気化学反応が可能な温度に加熱してカソードガスとして燃料電池スタック１に供給することができる。なお、酸化剤ガス供給装置として、燃焼ガスとの熱交換を行わずに燃料電池スタック１に高温の空気（カソードガス）を直接供給できる装置を適用してもよい。
燃焼器４は、アノードオフガス（排出ガス）とカソードオフガス（排出ガス）との混合ガス（排出ガス）を触媒燃焼させ二酸化炭素や水を主成分とする燃焼ガスを生成するものである。燃焼器４には、触媒（不図示）において燃料が燃焼可能な温度になるまで昇温するヒータ（不図示）が取り付けられている。また燃焼器４はサブ通路２７に接続され、インジェクタ２４から供給された燃料が触媒において燃焼することで触媒の温度を触媒燃焼可能な温度にまで上昇させることができる。
燃焼器４で生成された燃焼ガスは通路４１から排出される。通路４１は通路４２及び通路４３に分岐し、通路４２は改質器２５に接続され、通路４３は熱交換器３２に接続される。改質器２５には通路４４が接続され、通路４４からは改質器２５との熱交換に用いられた燃焼ガスが排出される。熱交換器３２には通路４５が接続され、通路４５からは熱交換器３２との熱交換に用いられた燃焼ガスが排出される。そして、通路４４及び通路４５に排出された燃焼ガスは外部に放出される。
温度センサ５は、例えば合流路１５に取り付けられ、合流路１５を流れる混合ガスの温度の情報を制御部７に出力する。制御部７は、混合ガスの温度により燃料電池スタック１の出口温度を推定することができる。
ＤＣ／ＤＣコンバータ６１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６２または駆動モータ６３に電力を供給するものである。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するとともに、駆動モータ６３に電力を供給することができる。駆動モータ６３は、インバータ（不図示）を介してバッテリ６２及びＤＣ／ＤＣコンバータ６１に接続され、車両の動力源となっている。また、車両の減速時において、駆動モータ６３は回生電力を発生させるが、これをバッテリ６２に充電させることができる。
制御部７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を制御するための処理を実行する。また制御部７は、燃料電池システムを構成する構成要素の駆動・停止制御（オン・オフ制御）を行うことができる。
制御部７が行う燃料電池システムの制御としては、燃料電池スタック１を暖機する暖機制御、通常の発電を行う発電制御、システムを停止させる停止制御がある。制御部７は、インジェクタ２３，２４（ソレノイド）に対して制御電流を出力するとともにそのデューティー比を制御することができる。また、制御部７はＤＣ／ＤＣコンバータ６１にＰＷＭ信号を出力し、そのデューティー比を変化させることで燃料電池スタック１からの取り出し電流（発電量）を制御することができる。さらに、制御部７には、バッテリ６２からＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃａｈｒｇｅ：バッテリ充電率）の情報が入力され、ＳＯＣの値に基づいて燃料電池スタック１による発電の要否を判断することができる。
なお、図示は省略しているが、外部から燃料電池スタック１とは極性が逆の電圧（例えば燃料電池スタック１の開放電圧と絶対値が同じ電圧）を燃料電池スタック１に印加する回路を接続しておき、停止制御中に制御部７が当該回路をスイッチ制御して、アノード（アノード電極）の劣化（酸化）を抑制できるようにしてもよい。
［燃料電池システムの暖機制御］
燃料電池システムの暖機制御は、ユーザーのイグニッション・オン操作（車両キーをオンにする操作）、またはバッテリ６２のＳＯＣが所定の値を下回ったことを契機に開始する。まず、システムが暖機制御を開始すると、制御部７は、燃焼器４のヒータをオンにし燃焼器４の触媒が燃料を燃焼可能な温度になるまで加熱する。
次に制御部７は、コンプレッサー３１及びポンプ２２をオンにし、インジェクタ２４に所定のデューティー比の制御電流を出力し、燃焼器４に燃料を供給する。これにより、空気が熱交換器３２、燃料電池スタック１を介して燃焼器４に供給され、燃焼器４に供給された燃料が燃焼し、触媒の温度がさらに上昇する。このとき制御部７は、ヒータをオフにする。
燃焼器４において、燃料が燃焼することで燃焼ガスが生成され、燃焼ガスは改質器２５及び熱交換器３２に供給され、改質器２５及び熱交換器３２が加熱される。熱交換器３２を加熱することで熱交換器３２を通過する空気が加熱され、加熱された空気が燃料電池スタック１に供給されることで燃料電池スタック１が加熱される。
制御部７は、改質器２５の温度が燃料を改質可能であって電気化学反応に必要な温度に到達し、燃料電池スタック１及び熱交換器３２の温度が電気化学反応に必要な温度に到達し、燃焼器４が触媒燃焼可能な温度に到達した段階で、インジェクタ２４に対する制御電流と停止し、インジェクタ２３に対して所定のデューティー比で制御電流を出力する。これにより、燃焼器４への燃料の供給が停止し、改質器２５に所定の流量で燃料が供給される。改質器２５に供給された燃料はアノードガス（改質ガス）に改質されて燃料電池スタック１に供給され、熱交換器３２により加熱された空気はカソードガスとして燃料電池スタック１に供給されることで燃料電池スタック１において電気化学反応を開始し、暖機制御は終了する。なお、燃料電池スタック１から排出されたアノードガス（アノードオフガス）及びカソードガス（カソードオフガス）は燃焼器４において触媒反応により燃焼され、当該燃焼により生成される燃焼ガスが引き続き改質器２５及び熱交換器３２と熱交換を行う。
［燃料電池システムの発電制御］
次に、燃料電池システムの発電制御時における動作について説明する。システムの発電制御は、タンク２１から供給された燃料が改質器２５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１（アノード）に供給される。一方、カソードガスとしての空気が熱交換器３２により昇温され燃料電池スタック１（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１では電気化学反応により電力が発生する。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燃焼器４に導入される。そして、燃焼器４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燃焼ガスを生成し、これが熱交換器３２及び改質器２５を通過して加熱する。
また、制御部７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１にＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を出力してＰＷＭ信号のデューティー比を変化させることで、燃料電池スタック１からの取り出し電流を制御し、所定の電力をバッテリ６２または駆動モータ６３に供給する。
車両の運転中は、システム（バッテリ６２、駆動モータ６３等）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（インジェクタ２３の噴射量）、及びカソードガスの供給量（コンプレッサー３１の回転数）を直線的に変化させることができる。しかし、燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１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２２、コンプレッサー３１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１に対する要求電力がゼロであっても、燃料電池スタック１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。
燃料電池スタック１の発電中において、燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスによる加熱（及び電気化学反応）により所定の温度（例えば６００℃）を維持している。燃焼器４にはアノードガス及びカソードガスが供給されこれを燃焼して燃焼ガスを生成しているので、燃焼器４及び燃焼ガスは所定の温度（Ｔｃｏｍｂ、例えば８００℃、図２参照）を維持している。改質器２５は、当該燃焼ガスと熱交換することで、所定の温度（改質器２５の出口温度：Ｔｆｕｅｌ＿ｏｕｔ、例えば６００℃、図２参照）のアノードガスを供給している。熱交換器３２も前記燃焼ガスと熱交換することで所定の温度（例えば６００℃）のカソードガスを燃料電池スタック１に供給している。なお、燃料電池スタック１に流入する改質ガスの温度は例えば改質器２５の温度（改質器２５の出口温度：Ｔｆｕｅｌ＿ｏｕｔ）で表すことができ、燃料電池スタック１に流入するカソードガスの温度も熱交換器３２の温度で表すことができる。
［燃料電池システムの停止制御］
図２は、システム停止命令時に取り出し電流、アノードガス流量、カソードガス流量をそれぞれゼロにした場合における改質器２５の出口温度（アノードガスの温度）の変化を示すタイムチャートである。
燃料電池システムの停止制御は、制御部７により行われるが、車両停止後のユーザーによるイグニッション・オフ操作（車両キーをオフにする操作）や、バッテリ６２のＳＯＣが所定の充電率となり燃料電池スタック１に対する発電要求が停止したこと、或いは車両から発生する音を小さくするために燃料電池スタック１（特にコンプレッサー３１）を停止させる操作をユーザーが行ったことを契機に開始される。
図２に示すように、通常の停止制御は、時刻ｔ１にシステム停止命令を受けると発電を停止する（取り出し電流Ｉをゼロにする）とともにアノードガス（供給量：ｍｆｕｅｌ）及びカソードガス（供給量：ｍａｉｒ）の供給を停止する。
このとき、改質器２５及び燃料電池スタック１（アノード）はタンク２１側と遮断されている。よって、時間経過とともに燃料電池スタック１の温度が低下するとアノードの圧力が低下してカソードの圧力よりも低くなるので、合流路１５を介してカソードガスがアノードに逆流することになる。
したがって、時刻ｔ１のシステム停止命令の後、時刻ｔ２で追加燃料を改質器２５に供給することでアノードガス（または未改質の燃料ガス）を、改質器２５を介して燃料電池スタック１（アノード）に供給し、アノード電極にカソードガスが入り込んでアノード電極が酸素に接触することで当該電極が劣化することを回避する。その後も温度低下（アノードの圧力低下）に応じて追加燃料を断続的に供給し、燃料電池スタック１の温度がアノード電極が劣化反応をする下限温度（例えば３００℃）よりも低くなったところで燃料の供給を完全停止させることで終了する。
停止制御を開始すると燃焼器４に供給されるアノードガス及びカソードガスの流量が急激に低下して燃焼ガスの発生量が低下することで燃焼器４及び燃焼ガスの温度（Ｔｃｏｍｂ）が低下するが、しばらくの間は燃料電池スタック１の耐熱上限温度Ｔｍａｘ（例えば６２０℃）よりも高い状態を維持している。
一方、改質器２５において、アノードガスの供給（インジェクタ２３による燃料の供給）が停止すると改質器２５にアノードガスが滞留し、当該滞留したアノードガスと燃焼ガスとの熱交換が進行し、また吸熱反応である改質反応の量が減少することで、アノードガスの温度が燃料電池スタック１の耐熱上限温度Ｔｍａｘを超える場合が発生する。
また、燃料電池システム全体を小型化した場合、通路１３及び通路１４が短くなるので、カソードガスが合流路１５を介してアノード側に逆流してアノードの電極に到達する時間が早くなる。このため、上記の時刻ｔ２が時刻ｔ１に近づき、改質器２５の出口付近のアノードガスの温度（温度Ｔｆｕｅｌ－ｏｕｔ）が未だ燃料電池スタック１の耐熱上限温度Ｔｍａｘよりも高い状態のときに追加燃料が供給され、当該アノードガスが追加燃料により押し出されて燃料電池スタック１に供給されることになる。このように追加燃料を供給することでカソードガスの逆流は回避できるが、燃料電池スタック１が耐熱上限温度Ｔｍａｘを超えた温度のアノードガスに晒されてしまうので燃料電池スタック１に熱的ダメージを与えることになる。
そこで、本実施形態では、システム停止命令時に燃料供給を瞬時に停止するのではなく、燃料の供給量を徐々に低下させて供給を停止することで燃料電池スタック１がその耐熱上限温度より高い温度のアノードガスに晒されることを防止している。
図３は、システム停止命令時にアノードガス流量及びカソードガス流量徐々に減少させてゼロにした場合における改質器２５の出口温度（アノードガスの温度）の変化を示すタイムチャートである。
［停止制御時の改質器（アノードガス）の温度変化］
図３に示すように、本実施形態では、時刻ｔ１でシステム停止命令を受けると、燃料の供給量ｍｆｕｅｌを時刻ｔｍ（ｔ１＜ｔｍ＜ｔ２）においてゼロになるように徐々（例えば直線的）に減少させる。このとき、空気（カソードガス）の供給量ｍａｉｒも燃料の供給量ｍｆｕｅｌに対応して減少させる。空気（カソードガス）の供給量ｍａｉｒは、例えば、アノードガスとカソードガスの混合比が燃焼器４において燃焼効率が最大となる混合比となるように燃料の供給量ｍｆｕｅｌに対応して減少させる。
このとき、燃焼器４においては、燃料電池スタック１から供給されるアノードガスとカソードガスの供給量が徐々に減少し、生成される燃焼ガスの量が減少するので燃焼器４（燃焼ガス）の温度は徐々に減少する。
改質器２５においては、システム停止命令後も燃料が供給されるので、アノードガスが改質器２５に滞留することはなく、新たに供給された燃料により改質反応（吸熱反応）の量もほとんど減少せず、さらに前記のように燃焼ガスの温度も減少するので改質器２５から供給されるアノードガスの温度上昇を抑制若しくは回避することができる。
その後、時刻ｔｍにおいて燃料（アノードガス）の供給及び空気（カソードガス）の供給を停止すると、改質器２５（アノードガス）の温度及び燃焼器４（燃焼ガス）の温度は外部との温度差に基づいて放熱（温度減少）する。
前記のように、システム停止命令後も燃料が供給されるので、その分カソードガスがアノード側に逆流する時間を延ばすことができる。よって時刻ｔ２（時刻ｔｍよりも後）において燃料を追加供給しても燃料電池スタック１側に押し出されるアノードガス（または未改質の燃料ガス）の温度が発電中のアノードガスの温度よりも低くなっており、押し出されたアノードガスが燃料電池スタック１に熱的なダメージを与えることはない。なお、時刻ｔ１から時刻ｔｍまでに供給する燃料の供給量は、時刻ｔ２における追加供給に係る供給量よりも多くなる。これにより、システム停止命令後のアノードガスの温度上昇を抑制することができる。
［停止制御時に改質器の供給する燃料の供給量（下限値）］
次に、システム停止命令後に供給する燃料の供給量ｍｆｕｅｌとその下限値ｍｆｕｅｌ１について検討する。まず、改質器２５において許容される燃料の熱交換量は、当該熱交換により燃料の温度が燃料電池スタック１の耐熱上限温度Ｔｍａｘを超えない熱交換量となるので、熱交換前の燃料の温度（改質器２５の入口温度）をＴｒｅｆ、燃料の比熱をＣｐｆｕｅｌとすると熱交換量（最大値）は、
Figure 0007156546000001
となる。
一方、燃焼ガスの供給量は、カソードガスの供給量ｍａｉｒと、アノードガスとの混合（燃焼）を考慮した場合の排気分流比γを用いると、
Figure 0007156546000002
となる。
燃焼ガスの初期温度は、燃焼器４の温度Ｔｃｏｍｂと同じであるが、これが放熱により最終的に熱交換前の燃料の温度（改質器２５の入口温度）にまで低下すると考える。燃焼ガスにおいては、燃料がすでに燃焼しているので、燃焼ガスの比熱は空気の比熱Ｃｐａｉｒに近似できる。よって、燃焼ガスの改質器２５における放熱量は、
Figure 0007156546000003
となる。
さらに、改質器２５の熱交換効率をηｒｅｆとすると、燃料の熱交換量は、燃焼ガスの放熱量にηｒｅｆを掛け合わせた値（熱交換量）に等しいから、数式１及び数式３から、
Figure 0007156546000004
となる。
システム停止後は発電が停止しているので、燃料電池スタック１に供給された燃料は全て燃焼器４で燃焼される。よって、燃焼器４によって発生する熱量は、燃料の単位質量当りの熱量（改質反応の吸熱成分を含む）をＬＨＶとすると、
Figure 0007156546000005
となる。
また燃料電池スタック１から排出された空気（カソードガス）は燃焼器４において燃料の燃焼に用いられ燃焼器４の温度Ｔｃｏｍｂまで加熱されるのであるから燃焼前のカソードガスの温度（燃料電池スタック１の出口温度）をＴｓｔｋ（燃焼前の混合ガスの温度）とすると、燃焼前後における空気の熱量の増加分は、
Figure 0007156546000006
となる。
そして、燃料が燃焼したときの熱量が全て空気の温度上昇に用いられたと考えると数式５と数式６から、
Figure 0007156546000007
が得られる。
燃焼ガスの温度Ｔｃｏｍｂは定数として扱うことができる。したがって、システム停止命令後に供給すべき燃料の供給量ｍｆｕｅｌ及びその下限値ｍｆｕｅｌ１は、数式４及び数式７を同時に満たすように、
Figure 0007156546000008
と表すことができる。なお、燃焼器４に接続する通路４１（図１）に温度センサ（不図示）を取り付け、燃焼ガスの温度Ｔｃｏｍｂを直接計測し、ｆ１（後述のｆ２も同様）においてＴｃｏｍｂをパラメータとして組み込み、当該ｆ１にＴｃｏｍｂの値を代入するようにしてもよい。
ここで、ｆ１は、燃料電池スタック１の出口温度Ｔｓｔｋと、空気（カソードガス）の供給量ｍａｉｒの関数であり、予めＴｓｔｋとｍａｉｒをパラメータとするマップとして形成することができる。したがって、制御部７は、温度センサ５から入力された温度の情報から燃料電池スタック１の出口温度Ｔｓｔｋを推定し、コンプレッサー３１の回転数（出力）によりカソードガスの供給量ｍａｉｒを推定することでシステム停止後の燃料の供給量の下限値ｍｆｕｅｌ１を算出し、これに基づいて燃料の供給量ｍｆｕｅｌを制御することができる。
システム停止命令後は発電しないので、数式８においてＴｓｔｋは時間経過とともに値が低くなる関数であり、ｆ１も時間経過とともに単調減少し最後にはゼロになる関数である。よって、ｍｆｕｅｌは時間経過とともに単調減少し、最後にはゼロにすることとができる。
停止制御においてはコンプレッサー３１の回転数を一定にすることもできる。この場合ｆ１は燃料電池スタック１の出口温度Ｔｓｔｋのみを変数とする関数となるので、容易に燃料の供給量ｍｆｕｅｌの下限値を算出することができる。
また、システム停止命令後の燃料電池スタック１の出口温度Ｔｓｔｋの温度変化に再現性がある場合、すなわちＴｓｔｋ（ｔ）として時間の関数で近似できる場合、ｆ１はカソードガスの供給量ｍａｉｒ（コンプレッサー３１の回転数）のみを変数とする関数となるので、この場合も容易に燃料の供給量ｍｆｕｅｌの下限値を算出することができる。
さらに、システム停止命令後においてカソードガスの供給量をｍａｉｒ（ｔ）として時間の関数（若しくは一定でもよい）として制御部７が制御し、燃料電池スタック１の出口温度をＴｓｔｋ（ｔ）として時間の関数で近似できる場合、関数ｆ１は、ｆ１（Ｔｓｔｋ（ｔ）、ｍａｉｒ（ｔ））と時間にのみ依存する関数になるので、温度センサ５を省略することができる。
なお、図３では、燃料（アノードガス）供給量ｍｆｕｅｌ、空気（カソードガス）供給量ｍａｉｒがシステム停止命令の前後において連続的に変化しているが、システム停止命令直後の直前との間に段差が形成される場合がある。
［高負荷状態の燃料電池システムの停止制御（発電なし）］
図４は、燃料電池スタック１が高負荷状態のときにシステム停止命令があった場合であって、システム停止命令時に取り出し電流をゼロにし、且つアノードガス流量及びカソードガス流量を徐々に減少させてゼロにした場合の燃焼器４の温度（燃焼ガスの温度）及び改質器２５の出口温度（アノードガスの温度）の変化を示すタイムチャートである。
システム停止命令前に、燃料電池スタック１が高負荷状態の場合、すなわち取り出し電流Ｉ（発電量）、燃料（アノードガス）供給量ｍｆｕｅｌ、空気（カソードガス）供給量ｍａｉｒが通常（低負荷状態）よりも大きくなっている場合について検討する。
そして、図４に示すように、システム停止命令により取り出し電流Ｉを瞬時にゼロにし、燃料（アノードガス）供給量ｍｆｕｅｌ、空気（カソードガス）供給量ｍａｉｒを徐々に低下させる制御を行った場合について検討する。
すると、システム停止命令時に大量のアノードガス及びカソードガスが燃料電池スタック１に供給されるが、当該燃料電池スタック１では発電が停止するので、アノードガス及びカソードガスは消費されることなく、そのまま燃焼器４に供給される。すると、燃焼器４では、システム停止命令時において、アノードガス（燃料）及びカソードガス（酸素）の供給量が直前まで発電で消費された分だけ増加する。これにより、燃焼器４におけるアノードガス（燃料）及びカソードガス（酸素）の燃焼量が増加して燃焼器４（燃焼ガス）の温度が燃焼器４の耐熱上限温度を超えてしまい燃焼器４に熱的ダメージを与えてしまう虞がある。また、燃焼器４から排出された燃焼ガスもシステム停止命令前の温度よりも高くなり、燃焼ガスと熱交換するアノードガス及びカソードガスの温度が、燃料電池スタック１の耐熱上限温度を超え、これが燃料電池スタック１に供給されることで、燃料電池スタック１に熱的ダメージを与えてしまう虞がある。
そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１が高負荷状態のときにシステム停止命令があった場合に、燃料電池スタック１の取り出し電流Ｉ（発電量）を徐々に低下させて燃焼器４におけるアノードガス（燃料）及びカソードガス（酸素）の燃焼量の増加を抑制している。
［停止制御時に改質器の供給する燃料の供給量（上限値）］
前記のように、燃料電池スタック１が高負荷状態のときはシステム停止後も発電を継続している。よって、燃料電池スタック１において消費されずに燃焼器４に供給される燃料の供給量をｍｆｕｅｌ２とすると、燃焼器４によって発生する熱量は、燃料の単位質量当りの熱量をＬＨＶとすると、
Figure 0007156546000009
となる。
また燃料電池スタック１から排出された空気（カソードガス）は燃焼器４により燃焼され燃焼器４の耐熱上限温度Ｔｃｏｍｂｍａｘまで加熱可能であり、燃焼前のカソードガスの温度は燃料電池スタック１の出口温度Ｔｓｔｋとなるので、燃焼前後における空気の熱量の増加分は、
Figure 0007156546000010
となる。
そして、燃料が燃焼したときの熱量が全て空気の温度上昇に用いられたと考えると数式９と数式１０から、
Figure 0007156546000011
が得られる。
燃焼ガスの温度Ｔｃｏｍｂｍａｘは定数として扱うことができる。したがって、システム停止命令後に供給する燃料の供給量ｍｆｕｅｌ及びその上限値ｍｆｕｅｌ２は、数式４及び数式１１を同時に満たすように、
Figure 0007156546000012
と表すことができる。
ここで、ｆ２は、ｆ１と同様に、燃料電池スタック１の出口温度Ｔｓｔｋと、カソードガスの供給量ｍａｉｒの関数であり、予めＴｓｔｋとｍａｉｒをパラメータとするマップとして形成することができる。したがって、制御部７は、温度センサ５から入力された温度の情報により燃料電池スタック１の出口温度Ｔｓｔｋを推定し、コンプレッサー３１の回転数によりカソードガスの供給量ｍａｉｒを推定することでシステム停止後の燃料の供給量の上限値ｍｆｕｅｌ２を算出し、これに基づいて燃料の供給量ｍｆｕｅｌを制御することができる。
上限値ｍｆｕｅｌ２は上記の下限値ｍｆｕｅｌ１と同様に時間経過とともに単調に減少する関数であるが、ｍｆｕｅｌ１よりもｍｆｕｅｌ２が常に大きいとき、すなわち燃料電池スタック１が低負荷状態のとき、システム停止命令時の燃料の供給量ｍｆｕｅｌは、
Figure 0007156546000013
の範囲で任意に制御することができる（図３参照）。
一方、燃料電池スタック１が高負荷状態のときにシステム停止命令があると、ｍｆｕｅｌ１がｍｆｕｅｌ２よりも大きくなる場合がある。この場合、システム停止命令時の燃料の供給量ｍｆｕｅｌをその下限値ｍｆｕｅｌ１にしたとしても、この供給量がｍｆｕｅｌ２よりも大きくなる。よって、燃焼器４（燃焼ガス）の温度がその耐熱上限温度を超えてしまい、燃焼器４に対して熱的ダメージを与える虞がある。さらに当該燃焼ガスが改質器２５及び熱交換器３２と熱交換するので、結果的に燃料電池スタック１の温度がその耐熱上限温度を超えてしまい、燃料電池スタック１にも熱的ダメージを与えてしまう虞がある。
そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１において、下限値ｍｆｕｅｌ１と上限値ｍｆｕｅｌ２との差分の燃料について発電消費することで、燃焼器４及び燃料電池スタック１の熱的ダメージを回避することにしている。
［停止制御時の燃料供給量及び取り出し電流の算出］
図５は、燃料供給量及び取り出し電流を算出する制御ロジックを示す図である。制御部７は、システム停止命令後に温度センサ５から入力された温度の情報から燃料電池スタック１の出口温度Ｔｓｔｋを推定し、コンプレッサー３１の回転数から空気の供給量ｍａｉｒを算出する。
制御部７は、出口温度Ｔｓｔｋと空気の供給量ｍａｉｒからｍｆｕｅｌ１（下限値）及びｍｆｕ ｅｌ２（上限値）を算出する。制御部７は、例えばｍｆｕｅｌ１をシステム停止命令後の燃料の供給量ｍｆｕｅｌとして設定する。
制御部７（第３制御部）は、ｍｆｕｅｌ１（モル数）とｍｆｕｅｌ２（モル数）との差分を算出し、ｍｆｕｅｌ１－ｍｆｕｅｌ２＞０のとき、取り出し電流Ｉを、
Figure 0007156546000014
により算出することができる。
数式１４において、「Ｎｃｅｌｌ」は燃料電池スタック１のセル数、「Ｆ」はファラデー定数、「２」は電気化学反応において水素分子１個の反応につき２個の電子が放出されることを考慮したものである。また数式１４は、予めｍｆｕｅｌ１とｍｆｕｅｌ２をパラメータとするマップとして形成することもできる。なお、数式１４により表される取り出し電流Ｉは下限値であり、これよりも大きな電流を取り出すようにしてもよい。なお取り出した電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１がバッテリ６２（又は駆動モータ６３）に供給することができる。
一方、制御部７（第３制御部）は、ｍｆｕｅｌ１－ｍｆｕｅｌ２≦０のとき、取り出し電流Ｉを０とする、すなわち発電を停止する制御を行う。
なお、停止制御において、制御部７（第２制御部）は、燃料の供給量ｍｆｕｅｌを下限値ｍｆｕｅｌ１がゼロになるとゼロにすることができる。また、ｍｆｕｅｌ１－ｍｆｕｅｌ２＞０の関係は、ｍｆｕｅｌ１がゼロになる直前まで継続する場合がある。この場合、制御部７は、燃料の供給量ｍｆｕｅｌがゼロになるまで（ゼロになる直前まで）燃料電池スタック１の発電を継続する。
［本実施形態の制御フロー］
図６は、システム停止命令から燃料供給を停止するまでの手順を示すフローチャートである。
システム停止命令があると、ステップＳ１において、制御部７はｍｆｕｅｌ１及びｍｆｕｅｌ２を算出する。
ステップＳ２において、制御部７（第２制御部）はｍｆｕｅｌ１がゼロ以下であるか否か判断し、ＹＥＳ（是）であれば後述のステップＳ４またはステップＳ５に基づく燃料供給を停止し、ＮＯ（否）であればステップＳ３に移行する。
ステップＳ３において、制御部７（第３制御部）はｍｆｕｅｌ１－ｍｆｕｅｌ２＞０であるか否かを判断し、ＹＥＳ（是）であればステップＳ４に移行し、ＮＯ（否）であればステップＳ５に移行する。
ステップＳ４において、制御部７（第２制御部）は、例えば燃料の供給量ｍｆｕｅｌを下限値ｍｆｕｅｌ１に設定し、改質器２５を介して燃料電池スタック１に燃料（アノードガス）を供給し、さらに制御部７（第３制御部）は取り出し電流Ｉを数式１４に基づく値、若しくはそれ以上の値となるように制御する。
ステップＳ５において、制御部７（第２制御部）は、例えば燃料の供給量ｍｆｕｅｌを下限値ｍｆｕｅｌ１に設定し、改質器２５を介して燃料電池スタック１に燃料（アノードガス）を供給し、さらに制御部７（第３制御部）は取り出し電流Ｉをゼロにして発電を停止する。
ステップＳ４において、制御部７（第２制御部）は、空気の供給量ｍａｉｒを、燃料電池スタック１における発電量を満たすように、且つ燃焼器４において燃焼ガスを生成する際にアノードガス（燃料）と最適な混合比となるように制御する。
ステップＳ５において、制御部７（第２制御部）は、空気の供給量ｍａｉｒを、燃焼器４において燃焼ガスを生成する際にアノードガス（燃料）と最適な混合比となるように制御する。
［高負荷状態の燃料電池システムの停止制御（発電あり）］
図７は、燃料電池スタック１が高負荷状態のときにシステム停止命令があった場合であって、システム停止命令時に取り出し電流、アノードガス流量、カソードガス流量を徐々に減少させてゼロにした場合の燃焼器４の温度（燃焼ガスの温度）及び改質器２５の出口温度（アノードガスの温度）の変化を示すタイムチャートである。
図７では、システム停止時の燃料の供給量ｍｆｕｅｌを下限値ｍｆｕｅｌ１として燃料を供給する場合について示している。また図７では、ｍｆｕｅｌ１及びｍｆｕｅｌ２は時間経過とともに単調減少し、ｍｆｕｅｌ１はシステム停止命令時（時刻ｔ１）にｍｆｕｅｌ２よりも大きいが途中（時刻ｔｉ：ｔ１＜ｔｉ＜ｔｍ＜ｔ２）でその大小関係が入れ替わる場合について示している。
時刻ｔ１でシステム停止命令を受けると、燃料（アノードガス）の供給量ｍｆｕｅｌをｍｆｕｅｌ１となるように徐々に減少させ、これに対応して空気（カソードガス）の供給量ｍａｉｒを減少させる。取り出し電流Ｉは、数式１４に基づく値、若しくはそれ以上の値をとりつつ徐々に減少させる。これにより、燃料電池スタック１でアノードガスが消費され、燃焼器４には供給量ｍｆｕｅｌがｍｆｕｅｌ２、若しくはそれ以下となるアノードガスが供給される。
よって、時刻ｔ１以降において、燃焼器４（燃焼ガス）の温度上昇が回避され、供給量ｍｆｕｅｌが時間経過とともに減少するので燃焼器４（燃焼ガス）の温度が徐々に低下する。よって燃焼器４の温度がその耐熱上限温度（Ｔｃｏｍｂｍａｘ）に到達することはなく、燃焼器４に対して熱的ダメージを与えることはない。また、燃焼ガスの温度上昇が回避されるので、改質器２５（アノードガス）の温度（及び熱交換器３２の温度）は、ほぼ一定となる。
時刻ｔｉにおいて、ｍｆｕｅｌ１がｍｆｕｅｌ２と同じになり、それ以後ｍｆｕｅｌ１がｍｆｕｅｌ２よりも低くなるので、取り出し電流Ｉはゼロになり発電が停止する。時刻ｔｉで発電が停止するので、それ以後、空気（カソードガス）の供給量ｍａｉｒは発電しない分早い割合で低下していく。
時刻ｔｍにおいて、ｍｆｕｅｌ１がゼロになるので燃料（アノードガス）の供給を停止する。時刻ｔｍにおいて、燃料の供給が停止するので、燃焼ガスの生成も停止し、これにより改質器２５の温度はさらに減少していく。
時刻ｔ２において制御部７（第１制御部）の制御により追加燃料が供給されるが、アノードガス（又は未改質の燃料ガス）の温度は発電時の温度よりも低くなっているので当該アノードガスが燃料電池スタック１に供給されても熱的ダメージは生じない。
［本実施形態の効果］
本実施形態の燃料電池システムによれば、改質ガス（アノードガス）と酸化剤ガス（カソードガス）が供給されて発電可能な固体酸化物型の燃料電池（燃料電池スタック１）と、酸化剤ガス（カソードガス）を燃料電池（燃料電池スタック１）に供給する酸化剤ガス供給装置（コンプレッサー３１）と、改質ガス（アノードガス）を燃料電池（燃料電池スタック１）に供給する改質部（改質器２５）と、改質ガス（アノードガス）の原料となる燃料を改質部（改質器２５）に供給する燃料供給装置（ポンプ２２、インジェクタ２３）と、燃料電池（燃料電池スタック１）の排出ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）を燃焼する燃焼部（燃焼器４）と、を備え、改質部（改質器２５）は、燃焼部（燃焼器４）が生成する燃焼ガスと熱交換することで燃料を改質ガス（アノードガス）に改質可能であり、システム停止時（停止制御時）に酸化剤ガス（カソードガス）が燃料電池（燃料電池スタック１）の燃料極下流から流入することを防止するために改質部（改質器２５）を通じて燃料を燃料電池（燃料電池スタック１）に追加供給する制御を燃料供給装置（インジェクタ２３）に対して行う第１制御部（制御部７）が設けられた燃料電池システムにおいて、システム停止時（停止制御時）に燃料電池（燃料電池スタック１）に流入する改質ガス（アノードガス）の温度が所定の温度を超えないように追加供給の前に改質部（改質器２５）に燃料を供給する第２制御部（制御部７）を備える。
上記構成により、改質部（改質器２５）においては、システム停止命令後も燃料が供給されるので、改質ガス（アノードガス）が改質部（改質器２５）に滞留することなく押し出され改質ガス（アノードガス）に対する過度な熱交換が回避できる。また、新たに供給された燃料により改質反応（吸熱反応）の量もほとんど減少しない。よって、燃料（アノードガス）の温度上昇が抑制されその熱容量を維持することができる。したがって、その後の燃料の追加供給により改質部（改質器２５）から燃料電池スタック１に押し出される改質ガス（アノードガス）の温度上昇を抑制しつつ、燃料の熱容量を保ちながらシステム全体の温度を低下させることができ、燃料電池スタック１への熱的ダメージを回避しつつ燃料の供給を停止させことが可能な燃料電池システムとなる。
本実施形態において、所定の温度は、燃料電池（燃料電池スタック１）の耐熱上限温度である。これにより、燃料電池（燃料電池スタック１）に対する熱的ダメージを確実に回避することができる。
本実施形態において、第２制御部（制御部７）による燃料の供給量（ｔ１からｔｍまでの供給量）は、第１制御部（制御部７）による燃料の供給量よりも多い。これにより、システム停止命令後の改質ガス（アノードガス）の温度上昇を抑制することができる。
本実施形態の燃料電池システムによれば、改質ガス（アノードガス）と酸化剤ガス（カソードガス）が供給されて発電可能な固体酸化物型の燃料電池（燃料電池スタック１）と、酸化剤ガス（カソードガス）を燃料電池（燃料電池スタック１）に供給する酸化剤ガス供給装置（コンプレッサー３１）と、改質ガス（アノードガス）を燃料電池（燃料電池スタック１）に供給する改質部（改質器２５）と、改質ガス（アノードガス）の原料となる燃料を改質部（改質器２５）に供給する燃料供給装置（ポンプ２２、インジェクタ２３）と、燃料電池（燃料電池スタック１）の排出ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）を燃焼する燃焼部（燃焼器４）と、を備え、改質部（改質器２５）は、燃焼部（燃焼器４）が生成する燃焼ガスと熱交換することで燃料を改質ガス（アノードガス）に改質可能であり、システム停止時（停止制御時）に酸化剤ガス（カソードガス）が燃料電池（燃料電池スタック１）の燃料極下流から流入することを防止するために改質部（改質器２５）を通じて燃料を燃料電池（燃料電池スタック１）に追加供給する制御を燃料供給装置（インジェクタ２３）に対して行う第１制御部（制御部７）が設けられた燃料電池システムにおいて、システム停止時（停止制御時）に改質部（改質器２５）の温度が燃料電池（燃料電池スタック１）の耐熱上限温度（Ｔｍａｘ）を超えないように追加供給の前に改質部（改質器２５）に燃料を供給する第２制御部（制御部７）を備える。
上記構成により、改質部（改質器２５）においては、システム停止命令後も燃料が供給されるので、改質ガス（アノードガス）が改質部（改質器２５）に滞留することなく押し出され改質ガス（アノードガス）に対する過度な熱交換が回避できる。また、新たに供給された燃料により改質反応（吸熱反応）の量もほとんど減少しない。よって、燃料（アノードガス）の温度上昇が抑制されその熱容量を維持することができる。したがって、その後の燃料の追加供給により改質部（改質器２５）から燃料電池スタック１に押し出される改質ガス（アノードガス）の温度上昇を抑制しつつ、燃料の熱容量を保ちながらシステム全体の温度を低下させることができ、燃料電池スタック１への熱的ダメージを回避しつつ燃料の供給を停止させことが可能な燃料電池システムとなる。
本実施形態において、第２制御部（制御部７）は、改質部（改質器２５）の温度が燃料電池（燃料電池スタック１）の耐熱上限温度（Ｔｍａｘ）を超えないようにするための燃料の流量の下限値（ｍｆｕｅｌ１）を算出し下限値（ｍｆｕｅｌ１）で燃料を供給する。
これにより、システム停止時（停止制御時）の燃料の消費量を削減しつつシステム全体の温度を低下させることができる。
本実施形態において、システム停止時（停止制御時）において燃料電池（燃料電池スタック１）の取り出し電流量（Ｉ）を制御する第３制御部（制御部７）と、を備え、第３制御部（制御部７）は、燃焼部（燃焼器４）の耐熱上限温度（Ｔｃｏｍｂｍａｘ）を超えないようにするための燃料の流量の上限値（ｍｆｕｅｌ２）を算出し、下限値（ｍｆｕｅｌ１）と上限値（ｍｆｕｅｌ２）との差分に基づいて取り出し電流量（Ｉ）を制御する。
これにより、システム停止時（停止制御時）の燃料の消費量を削減するとともに、発電により燃焼部（燃焼器４）に供給される燃料の流量を上限値（ｍｆｕｅｌ２）以下にすることができるので、燃料電池（燃料電池スタック１）及び燃焼部（燃焼器４）に対する熱的ダメージを回避可能となる。
本実施形態において、第３制御部（制御部７）は、酸化剤ガス（カソードガス）の流量（ｍａｉｒ）と燃料電池（燃料電池スタック１）の出口温度（Ｔｓｔｋ）の少なくともいずれか一方に基づいて上限値（ｍｆｕｅｌ２）を算出する。これにより、燃焼ガスの温度及び供給量を検知するセンサを取り付けることなく、簡易な方法で上限値（ｍｆｕｅｌ２）を算出することができる。
本実施形態において、第３制御部（制御部７）は、下限値（ｍｆｕｅｌ１）が上限値（ｍｆｕｅｌ２）以下になると取り出し電流量（Ｉ）をゼロにする。これにより、停止制御時の発電停止のタイミング（ｔｉ）を容易に判断することができる。
本実施形態において第２制御部（制御部７）は、酸化剤ガス（カソードガス）の流量（ｍａｉｒ）と燃料電池（燃料電池スタック１）の出口温度（Ｔｓｔｋ）に基づいて下限値（ｍｆｕｅｌ１）を算出する。これにより、燃焼ガスの温度及び供給量を検知するセンサを取り付けることなく、簡易な方法で下限値（ｍｆｕｅｌ１）を算出することができる。
本実施形態において、第２制御部（制御部７）は、下限値（ｍｆｕｅｌ１）がゼロになると燃料の供給を停止する。これにより、停止制御時の燃料供給停止のタイミング（ｔｍ）を容易に判断することができる。
本実施形態において、第２制御部（制御部７）は、システム停止時に燃料の流量（ｍｆｕｅｌ）に対応して、酸化剤ガス供給装置（コンプレッサー３１）を介して酸化剤ガス（カソードガス）の流量（ｍａｉｒ）を制御する。これにより、停止制御時の消費電力を削減することができる。
本実施形態の燃料電池システムの制御方法によれば、改質部（改質器２５）が生成した改質ガス（アノードガス）と、酸化剤ガス（カソードガス）と、を固体酸化物型の燃料電池（燃料電池スタック１）に供給して発電する場合において、改質部（改質器２５）が燃料電池（燃料電池スタック１）の排出ガス（アノードオフガス、カソードオフガス）を燃焼して生成した燃焼ガスと熱交換することで改質ガス（アノードガス）の原料となる燃料を改質ガス（アノードガス）に改質するものとし、システム停止時（停止制御時）に酸化剤ガス（カソードガス）が燃料電池（燃料電池スタック１）の燃料極（アノード）下流から流入することを防止するために改質部（改質器２５）を通じて燃料を燃料電池（燃料電池スタック１）に追加供給する燃料電池システムの制御方法において、システム停止時（停止制御時）に燃料電池（燃料電池スタック１）に流入する改質ガス（アノードガス）の温度が所定の温度を超えないように追加供給の前に改質部（改質器２５）に燃料を供給する。
上記方法により、改質部（改質器２５）においては、システム停止命令後も燃料が供給されるので、改質ガス（アノードガス）が改質部（改質器２５）に滞留することなく押し出され改質ガス（アノードガス）に対する過度な熱交換が回避できる。また、新たに供給された燃料により改質反応（吸熱反応）の量もほとんど減少しない。よって、燃料（アノードガス）の温度上昇が抑制されその熱容量を維持することができる。したがって、その後の燃料の追加供給により改質部（改質器２５）から燃料電池スタック１に押し出される改質ガス（アノードガス）の温度上昇を抑制しつつ、燃料の熱容量を保ちながらシステム全体の温度を低下させることができ、燃料電池スタック１への熱的ダメージを回避しつつ燃料の供給を停止させことが可能となる。

Claims (13)

  1. 改質ガスと酸化剤ガスが供給されて発電可能な固体酸化物型の燃料電池と、
    前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給装置と、
    前記改質ガスを前記燃料電池に供給する改質部と、
    前記改質ガスの原料となる燃料を前記改質部に供給する燃料供給装置と、
    前記燃料電池の排出ガスを燃焼する燃焼部と、を備え、
    前記改質部は、前記燃焼部が生成する燃焼ガスと熱交換することで前記燃料を前記改質ガスに改質可能であり、
    システム停止時に前記酸化剤ガスが前記燃料電池の燃料極下流から流入することを防止するために前記燃料電池の温度低下に応じて前記改質部を通じて前記燃料を前記燃料電池に断続的に追加供給する制御を前記燃料供給装置に対して行う第１制御部が設けられた燃料電池システムにおいて、
    前記システム停止時に前記燃料電池に流入する前記改質ガスの温度が所定の温度を超えないように前記追加供給の前に前記改質部に前記燃料を供給する第２制御部を備え、
    前記第２制御部は、前記第１制御部が行う最初の前記追加供給の前に前記燃料の供給を停止する
    燃料電池システム。
  2. 前記所定の温度は、前記燃料電池の耐熱上限温度である請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記第２制御部による前記燃料の供給量は、前記第１制御部による前記燃料の供給量よりも多い請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 改質ガスと酸化剤ガスが供給されて発電可能な固体酸化物型の燃料電池と、
    前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給装置と、
    前記改質ガスを前記燃料電池に供給する改質部と、
    前記改質ガスの原料となる燃料を前記改質部に供給する燃料供給装置と、
    前記燃料電池の排出ガスを燃焼する燃焼部と、を備え、
    前記改質部は、前記燃焼部が生成する燃焼ガスと熱交換することで前記燃料を前記改質ガスに改質可能であり、
    システム停止時に前記酸化剤ガスが前記燃料電池の燃料極下流から流入することを防止するために前記燃料電池の温度低下に応じて前記改質部を通じて前記燃料を前記燃料電池に断続的に追加供給する制御を前記燃料供給装置に対して行う第１制御部が設けられた燃料電池システムにおいて、
    前記システム停止時に前記改質部の温度が前記燃料電池の耐熱上限温度を超えないように前記追加供給の前に前記改質部に前記燃料を供給する第２制御部を備え、
    前記第２制御部は、前記第１制御部が行う最初の前記追加制御の前に前記燃料の供給を停止する
    燃料電池システム。
  5. 前記第２制御部は、
    前記改質部の温度が前記燃料電池の耐熱上限温度を超えないようにするための前記燃料の流量の下限値を算出し前記下限値で前記燃料を供給する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記システム停止時において前記燃料電池の取り出し電流量を制御する第３制御部と、を備え、
    前記第３制御部は、
    前記燃焼部の耐熱上限温度を超えないようにするための前記燃料の流量の上限値を算出し、
    前記下限値と前記上限値との差分に基づいて前記取り出し電流量を制御する請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第３制御部は、
    前記酸化剤ガスの流量と前記燃料電池の出口温度の少なくともいずれか一方に基づいて前記上限値を算出する請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記第３制御部は、
    前記下限値が前記上限値以下になると前記取り出し電流量をゼロにする請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記第２制御部は、
    前記酸化剤ガスの流量と前記燃料電池の出口温度に基づいて前記下限値を算出する請求項５乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記第２制御部は、
    前記下限値がゼロになると前記燃料の供給を停止する請求項５乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  11. 前記第２制御部は、
    前記システム停止時に前記燃料の流量に対応して、前記酸化剤ガス供給装置を介して前記酸化剤ガスの流量を制御する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  12. 改質部が生成した改質ガスと、酸化剤ガスと、を固体酸化物型の燃料電池に供給して発電する場合において、前記改質部が前記燃料電池の排出ガスを燃焼して生成した燃焼ガスと熱交換することで前記改質ガスの原料となる燃料を前記改質ガスに改質するものとし、
    システム停止時に前記酸化剤ガスが前記燃料電池の燃料極下流から流入することを防止するために前記燃料電池の温度低下に応じて前記改質部を通じて前記燃料を前記燃料電池に断続的に追加供給する燃料電池システムの制御方法において、
    前記システム停止時に前記燃料電池に流入する前記改質ガスの温度が所定の温度を超えないように前記追加供給の前に前記改質部に前記燃料を供給し、
    最初の前記追加供給の前に前記燃料の供給を停止する
    燃料電池システムの制御方法。
  13. 前記第２制御部は、前記燃料の供給量を徐々に減少させ前記第１制御部が行う最初の前記追加供給の前に前記燃料の供給を停止する請求項１または４に記載の燃料電池システム。
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