JPWO2017104211A1 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

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、アノードガスとなる液体の燃料を蓄える燃料タンクと、燃料タンクと燃料電池のアノード電極とを接続するアノード供給路と、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排気燃焼器と、燃料タンクと連通し、燃料タンク内にて気化した燃料を捕集する捕集器と、捕集器と排気燃焼器とを接続する燃料供給路と、を有する。燃料電池システムの停止時には捕集器によって捕集された燃料が燃料供給路を介して排気燃焼器に供給される。

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が供給され、他方の側にカソードガス（空気等）が供給されて、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ＳＯＦＣに用いられるアノード電極は、燃料電池システムを停止させて温度が低下すると、酸化しやすくなる性質がある。

そこで、例えば、ＪＰ２００８−１４６７９８Ａには、燃料電池システムの停止時に、アノードガスの供給を続けることにより、アノード電極の酸化を防止する技術が開示されている。

このような固体酸化物型燃料電池システムでは燃料電池の動作温度が約８００度と高い。そのため、このような固体酸化物型燃料電池システムにおいて、システム停止要求等に応じてシステム停止制御が実行される時に、燃料電池の温度の温度に応じてアノード電極の酸素分圧が適切に制御されなければ、アノード電極が酸化してしまうおそれがある。

本発明の目的は、システム停止中における燃料電池のアノード電極の酸化劣化を抑制することが可能な他の燃料電池システムを提供することである。

本発明の一態様の燃料電池システムによれば、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、アノードガスとなる液体の燃料を蓄える燃料タンクと、燃料タンクと燃料電池のアノード電極とを接続するアノード供給路と、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排気燃焼器と、燃料タンクと連通し、燃料タンク内にて気化した燃料を捕集する捕集器と、捕集器と排気燃焼器とを接続する燃料供給路とを有する。燃料電池システムの停止時には捕集器によって捕集された燃料が燃料供給路を介して排気燃焼器に供給される。

図１は、第１実施形態の燃料電池システムのブロック図である。 図２は、アノード電極の状態を示す図である。 図３は、停止制御処理を示すフローチャートである。 図４は、停止制御処理中の燃料電池システムの状態変化を示す図である。 図５は、第２実施形態の停止制御処理を示すフローチャートである。 図６は、第３実施形態の燃料電池システムのブロック図である。 図７は、停止制御処理を示すフローチャートである。

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）システムの主要構成を示すブロック図である。

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、燃料であるアノードガス（燃料ガス）が供給されるアノード電極（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。なお、燃料電池スタック１には温度センサＴ１及び圧力センサＰ１が設けられている。

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にカソードガスを供給する空気供給系統と、燃料電池システム１００外に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が設けられている。

燃料供給系統は、燃料タンク２、燃料ポンプ３、蒸発器４、原料加熱器５、改質器６、キャニスター（捕集器）７、燃料ガスポンプ８、エバポリークチェックモジュール９等を含む。空気供給系統は、カソードコンプレッサー１０、空気熱交換器１１等を含む。排気系統は、排気燃焼器１２等を含む。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１３を備えている。制御部１３が、燃料電池システム１００の各種機器を制御することで、燃料電池システム１００の停止制御が行われる。

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、燃料タンク２に蓄えられている含水エタノールなどの燃料が、経路１０１を介して燃料ポンプ３から送り出される。そして、燃料ポンプ３から送り出された燃料は、経路１０２を介して蒸発器４に供給される。蒸発器４は、排気燃焼器１２からの排気ガスの熱を利用して、液体の燃料を気化させて燃料ガスを生成する。

蒸発器４にて生成された燃料ガスは、経路１０３を介して原料加熱器５に到達する。原料加熱器５は、排気燃焼器１２と隣接して設けられており、排気燃焼器１２における発熱を利用して、燃料ガスを改質器６にて改質可能な温度までさらに加熱する。

原料加熱器５から経路１０４を介して改質器６に燃料ガスが到達すると、燃料ガスは、改質器６において、触媒反応によってアノードガスに改質される。そして、アノードガスは、改質器６から経路１０５を介して燃料電池スタック１のアノード電極に供給される。例えば、燃料が含水エタノールである場合には、アノードガスは、メタン、水素、一酸化炭素などを含んでいる。

燃料タンク２内には、一部の燃料が気化することによって生じた燃料ガスが存在する。燃料タンク２内の燃料ガスは、経路１０６を介してキャニスター７に到達する。キャニスター７は、活性炭などにより構成されており、燃料ガスを捕集する。キャニスター７で捕集された燃料ガスは、経路１０７を通じて燃料ガスポンプ８に到達した後に、燃料ガスポンプ８によって経路１０８を介して排気燃焼器１２に供給される。同時に、キャニスター７は、必要に応じて、経路１０９、１１０を介して外気が取り込まれるように構成されている。経路１０９、１１０には、燃料電池システム１００外に燃料ガスが排出されるのを監視するエバポリークチェックモジュール９が設けられている。エバポリークチェックモジュール９が燃料ガスを検出すると、制御部１３は、燃料ガスが燃料電池システム１００外に排出されるおそれがある旨を、運転者などに対して警告する。

なお、経路１０６には弁１０６Ａが、経路１０７には弁１０７Ａが、経路１０８には弁１０８Ａが、経路１１０には弁１１０Ａが設けられている。これらの弁１０６Ａ，１０７Ａ、１０８Ａ、及び、１１０Ａの開閉は、制御部１３によって制御される。

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である空気は、カソードコンプレッサー１０によって経路１１１から燃料電池システム１００内に取り込まれと、まず、空気熱交換器１１に到達する。なお、経路１１１には、制御部１３によって制御可能な弁１１１Ａが設けられている。

空気熱交換器１１は、排気燃焼器１２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。空気熱交換器１１により加熱されたカソードガスは、経路１１２を介して燃料電池スタック１に供給される。

このようにして、燃料電池スタック１には、燃料供給系統からアノードガスが供給されるとともに、空気供給系統からカソードガスが供給される。そして、燃料電池スタック１では、アノードガスとカソードガスとが反応して発電が行われ、アノードオフガス及びカソードオフガスが排気系統を介して燃料電池システム１００外に排出される。

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を介してアノードオフガスが排出され、経路１２２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１２において酸化触媒反応によって燃焼されて、排気ガスとして排出される。燃焼に伴って発生する熱は、排気燃焼器１２に隣接する原料加熱器５に伝達される。排気ガスは、経路１２３を介して蒸発器４に到達した後に、経路１２４を介して空気熱交換器１１に到達する。そして、排気ガスは、経路１２５から燃料電池システム１００の外部に排出される。なお、経路１２５には弁１２５Ａが設けられている。

排気燃焼器１２は、コージェライトなどの触媒担体と概担体に酸化触媒を担持させた構成となっており、アノードオフガスとカソードオフガスを混合し、その混合ガスを酸化触媒を介して燃焼させ、二酸化炭素や水を主成分とする排気ガスを生成する。排気燃焼器１２には、経路１１５を介してカソードガス（空気）が供給可能であるとともに、経路１０８を介して燃料ガスが供給可能である。経路１０８には弁１０８Ａが設けられている。制御部１３は、弁１０８Ａを用いて排気燃焼器１２に供給される燃料ガスの供給量を調整し、排気燃焼器１２における触媒燃焼反応を制御する。なお、排気燃焼器１２には、温度センサＴ２が設けられている。

なお、制御部１３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１３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。

ここで、燃料電池スタック１のアノード電極の状況について図２を用いて説明することによって、本願発明の原理を説明する。

図２は、アノード電極の酸化状況を示す図である。横軸にはアノード電極における酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２が示されており、縦軸には燃料電池スタック１の温度Ｔ１が示されている。

ここで、ニッケルなどの金属で構成されるアノード電極は、温度Ｔ１が高いほど、酸化して劣化しやすい性質がある。すなわち、温度Ｔ１が高く、かつ、酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２が高い場合には、燃料電池スタック１のアノード電極は酸化しやすい。図２においては、温度Ｔ１と酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２とにより定まる場所が、図中右上に位置する酸化領域となる場合には、アノード電極が酸化するおそれが高いことが示されている。

一方、温度Ｔ１が低く、かつ、酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２が低い場合には、燃料電池スタック１のアノード電極は酸化しにくい。すなわち、図２においては、温度Ｔ１と酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２とにより定まる場所が、図中左下に位置する非酸化領域となる場合には、アノード電極が酸化するおそれが低いことが示されている。

ここで、本実施形態においては、燃料電池システム１００の停止制御処理が開始するタイミングで、カソードガス及びアノードガスの供給が停止されるものとする。このようにすることにより、燃料電池スタック１は強制的に冷却されず、自然冷却されることになる。

燃料電池システム１００の停止制御処理は、車両のスタートボタンの再押下や、燃料電池スタック１において発電された電力が蓄えられるバッテリーが満充電となった状態から開始される。そして、燃料電池システム１００の自然冷却が終わり、燃料電池システム１００の各種構成の制御が完了するタイミングで、停止制御処理は終了する。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。

ここで図２を参照すると、車両のスタートボタンの再押下などが行われて燃料電池システム１００が停止制御処理を開始した状態（状態Ａ）から、燃料電池システム１００の冷却が完了した状態（状態Ｃ）までの間の遷移の様子が示されている。従って、この状態Ａから状態Ｃに遷移するまでの間に、燃料電池システム１００においては停止制御処理が行われることになる。

燃料電池システム１００の停止制御処理を開始した直後の状態Ａにおいては、温度Ｔ１が高くかつ酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２が低い。その状態から、燃料電池スタック１が冷却するとともに、燃料電池スタック１内に大気が流入するので、状態Ｃのように、温度Ｔ１が低くかつ酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２が低い状態となる。

ここで、温度Ｔ１の低下速度に対して酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２の増加速度が早ければ、酸化領域に含まれる状態Ｂ’のような温度Ｔ１が高くかつ酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２が高い状態を経てしまい、アノード電極が酸化劣化するおそれがある。しかしながら、温度Ｔ１に応じて酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２を制御することで、非酸化領域に含まれる状態Ｂのような、温度Ｔ１が低くかつ酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２が低い状態を経るようにすることができれば、アノード電極の劣化を抑制することができる。

そこで、制御部１３は、温度Ｔ１と酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２とにより定まる場所が常に非酸化領域となるように、燃料電池システム１００が自然冷却されている間、アノード電極の酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２を制御する。以下では、このような制御の詳細について説明する。

なお、図２においては、大気での酸素分圧Ｐａｉｒが示されている。ここで、燃料電池システム１００の停止制御処理が開始されてから、燃料電池スタック１の自然冷却が完了するまでの間に、アノード電極の酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２は、ゼロに近い値から大気での酸素分圧Ｐａｉｒまで遷移する。そのため、アノード電極の酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２は大気での酸素分圧Ｐａｉｒを上回ることはない。

したがって、燃料電池スタック１の温度が、酸化領域と非酸化領域との境界における大気での酸素分圧Ｐａｉｒに対応する温度Ｔｃ１を下回ると、アノード電極が酸化するおそれがないことになる。そのため、燃料電池スタック１の温度が温度Ｔｃ１を下回ると、アノード電極が酸化されるおそれが少ないと判断され、燃料電池システム１００の停止制御処理を終了することができる。以下では、このような温度Ｔｃ１を、停止温度Ｔｃ１と称するものとする。

図３は、本実施形態の停止制御処理のフローチャートである。燃料電池システム１００の停止制御は、燃料電池システム１００に対する停止要求（運転者のキーオフ操作等による停止要求）後に実行される。

ステップＳ３１においては、燃料ポンプ３及びカソードコンプレッサー１０が停止されて、弁１１１Ａが閉じられる。このようにすることで、燃料電池スタック１へのカソードガス及びアノードガスの供給が停止される。以降では、燃料電池スタック１は、燃料供給系統に残るアノードガス、及び、空気供給系統に残るカソードガスによってのみ発電されることになる。

ステップＳ３２においては、温度センサＴ１にて取得される燃料電池スタック１の温度Ｔ１が停止温度Ｔｃ１以上であるか否かを判定する。そして、燃料電池スタック１の温度Ｔ１が停止温度Ｔｃ１以上ある場合には（Ｓ３２：Ｙｅｓ）、アノード電極の酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２の制御が必要と判断して、ステップＳ３３に進む。一方、燃料電池スタック１の温度Ｔ１が停止温度Ｔｃ１よりも小さい場合には（Ｓ３２：Ｎｏ）、燃料電池スタック１は十分に冷却されておりアノード電極の酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２の制御が不要と判断して、ステップＳ３７に進む。

ステップＳ３３においては、温度センサＴ２にて取得される排気燃焼器１２の温度Ｔ２が排気燃焼器１２の触媒動作温度Ｔｃ２以上であるか否かを判定する。また、排気燃焼器１２は所定の温度（触媒動作温度Ｔｃ２）以下になると触媒酸化反応が進行しにくくなる。そのため、温度Ｔ２が触媒動作温度Ｔｃ２以上である場合には（Ｓ３３：Ｙｅｓ）、排気燃焼器１２の加温は不要と判断して、ステップＳ３４に進む。一方、温度Ｔ２が所定の温度Ｔｃ２よりも大きい場合には（Ｓ３３：Ｎｏ）、排気燃焼器１２の加熱が必要と判断して、ステップＳ３６に進む。

ステップＳ３４においては、燃料ガスポンプ８を始動させる。このように燃料ガスポンプ８を起動することにより、キャニスター７にて捕集された燃料ガスが排気燃焼器１２に供給可能な状態となる。

ステップＳ３５は、ステップＳ３４の処理後に、燃料電池スタック１が図２に示された非酸化領域を維持するように、燃料電池スタック１の温度Ｔ１に応じて、弁１０８Ａを制御する。具体的には、排気燃焼器１２にはキャニスター７にて捕集された燃料ガスが供給されるので、燃料ガスと経路１２２などに残るカソードオフガスに含まれる酸素とが触媒燃焼する。したがって、排気燃焼器１２において酸素が消費されるので、排気燃焼器１２を経由して燃料電池スタック１のアノード電極へと拡散又は逆流する酸素が減少し、アノード電極の酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２を低下することができる。なお、Ｓ３５における詳細な動作は、図４を用いて説明する。

ステップＳ３６においては、排気燃焼器１２の温度が、触媒動作温度Ｔｃ２以上となるように、排気燃焼器１２を暖気する。たとえば、排気燃焼器１２に設けられた不図示のヒーターを用いて暖気を行う。

ステップＳ３７においては、燃料電池スタック１の温度Ｔ１が停止温度Ｔｃ１を下回っているため、アノード電極は十分に冷却されており酸化するおそれが少ないと判断して、燃料ガスポンプ８を停止する。

図４は、図３に示した停止制御処理における弁１０８Ａの制御（Ｓ３５）が行われた場合の燃料電池スタック１の状態の説明図の一例である。図４（ａ）〜（ｃ）の図のいずれも、横軸に時間ｔが示されており、燃料電池スタック１の状態の経時的な変化が示されている。図４（ａ）は、温度センサＴ１によって取得される燃料電池スタック１の温度Ｔ１を示す図である。図４（ｂ）は、アノード電極の酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２を示す図である。点線は、弁１０８Ａが閉じられたままでありキャニスター７により捕集された燃料ガスが排気燃焼器１２に供給されない場合を示す。一方、実線は、Ｓ３５の制御が行われて弁１０８Ａの開弁量が制御されてキャニスター７により捕集された燃料ガスが排気燃焼器１２に供給される場合を示す。図４（ｃ）は、Ｓ３５において制御される弁１０８Ａの開弁量を示す。

図４（ａ）を参照すると、燃料電池システム１００の停止制御処理後には、自然冷却が進行して、燃料電池スタック１の温度Ｔ１は徐々に低下している。

図４（ｂ）を参照すると、点線で示されたように弁１０８Ａが閉じられたままである場合には、時刻ｔａにおいて、経路１２５から燃料電池システム１００内へ逆流及び逆拡散する大気が排気燃焼器１２を介して燃料電池スタック１のアノード極に到達するので、酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２の上昇が開始する。なお、このような逆流及び逆拡散の状態は、燃料電池システム１００内の温度に応じて変化する。

燃料電池システム１００内の温度は、燃料電池スタック１の温度とみなすことができる。そこで、本実施形態においては、燃料電池スタック１の温度Ｔ１が、図４（ａ）に示された時刻ｔａと対応する温度Ｔｘになると、図４（ｃ）に示されるように、弁１０８Ａを開く。このようにすることで、キャニスター７にて捕集された燃料ガスが排気燃焼器１２に供給されるので、排気燃焼器１２にて燃料ガスと酸素との酸化触媒反応が進行し、排気系統内の酸素が消費される。そのため、図４（ｂ）にて実線で示されたように、弁１０８Ａを制御する場合の方が、点線で示された弁１０８Ａを制御しない場合よりも、酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２の上昇を抑制することができる。

さらに、時刻ｔａ後において、時刻ｔｂになると、経路１２５から燃料電池システム１００内への大気の逆流及び逆拡散のペースが緩やかになる。そこで、燃料電池スタック１の温度Ｔ１が、図４（ａ）に示された時刻ｔｂと対応する温度Ｔｙになると、図４（ｃ）に示されているように、燃料電池スタック１の温度Ｔ１の低下に伴って、弁１０８Ａの開弁量を緩やかに減少させる。

そして、時刻ｔｃにおいては、図４（ｂ）に示すように、アノード電極の酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２が大気での酸素分圧Ｐａｉｒと等しくなり、燃料電池システム１００の自然冷却が終了する。このようにして、図２に示したように、温度Ｔ１の低下速度に対して酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２の増加速度が適切に制御されることになるので、酸化領域を経由せずに燃料電池スタック１を冷却できる。したがって、燃料電池スタック１のアノード電極の劣化を抑制しながら、燃料電池システム１００を停止させることができる。

第１実施形態の燃料電池システム１００によって、以下の効果を得ることができる。

燃料電池スタック１のアノード電極は、高温状態で大気に触れると酸化しやすいという性質を有する。そのため、燃料電池システム１００の停止制御処理の開始直後においては、燃料電池スタック１が高温であるためアノード電極が酸化しやすい。そのような状態で、経路１２５、１２４、１２３を介して排気燃焼器１２に到達した空気が、経路１２１を介して燃料電池スタック１のアノード電極に到達してしまうと、アノード電極が酸化劣化してしまう。そこで、アノード電極の酸素分圧を低下させる必要がある。

第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、経路１０１、１０２、１０３、１０４、１０５（アノード供給路）を介して燃料電池スタック１にアノードガスが供給されるのに加えて、キャニスター７によって捕集された燃料タンク２内の燃料ガスは、経路１０７、１０８（燃料供給路）を介して、排気燃焼器１２に供給される。このようにすることによって、排気燃焼器１２において酸素が触媒燃焼反応によって消費されることになるので、燃料電池スタック１のアノード電極に到達する酸素を減少することができる。したがって、アノード電極の酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２の上昇を抑制することができるので、アノード電極の酸化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、燃料ガスポンプ８によって、キャニスター７にて捕集された燃料ガスが、排気燃焼器１２に供給される。このようにすることで、さらに排気燃焼器１２に燃料ガスが供給されやすくなるので、アノード電極の酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２の上昇が抑制され、アノード電極の酸化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、燃料電池スタック１の温度に応じて、弁（燃料ガス供給弁）１０８Ａの開閉を制御する。制御部１３は、図４に示されたような、燃料電池スタック１の温度Ｔ１と対応する開弁量を記憶している。そこで、温度Ｔ１が到達温度Ｔｘに達した時点から弁１０８Ａの開弁量を大きくする。そして、温度Ｔ１がＴｙに達した後においては徐々に弁１０８Ａの開弁量を小さくする。このようにすることで、キャニスター７にて捕集された燃料ガスを排気燃焼器１２に適切に供給することができる。したがって、燃料ガスを不要に供給することなくアノード電極の酸素分圧を低下させることができるので、燃料電池スタック１のアノード電極の酸化を防止することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態においては、燃料電池スタック１の温度Ｔ１に応じて燃料ガスポンプ８や弁１０８Ａなどの制御を行ったが、これに限らない。第２実施形態においては、さらに、燃料電池スタック１内の圧力Ｐ１に応じた制御を行う例について説明する。

図５は、第２実施形態の燃料電池システム１００の制御を示すフローチャートである。この図に示されたフローチャートは、図３に示された第１実施形態におけるフローチャートと比較すると、ステップＳ３１の処理とＳ３２の処理との間にステップＳ５１の処理が追加されている点と、ステップＳ３５の処理の後にステップＳ５２〜Ｓ５４の処理が追加されている点とが異なる。

まず、停止制御処理が開始されると、ステップＳ５１において、弁１２５Ａが閉じられる。このようにすることで、経路１２５からの大気の逆流が抑制されるので、アノード電極の酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２の上昇が抑制される。

ここで、弁１２５Ａが閉じられた状態においては、燃料電池システム１００の温度の低下に伴って、燃料電池スタック１の圧力Ｐ１が低下する。一方で、キャニスター７にて捕集された燃料ガスが排気燃焼器１２に供給されると、触媒燃焼反応が進行することにより、燃料ガスと空気とが反応して排気ガスが発生するので、燃料電池スタック１の圧力Ｐ１が上昇する。

また、燃料電池スタック１内の圧力Ｐ１によっては、燃料電池スタック１が物理的に劣化してしまうおそれがある。そこで、ステップＳ５２〜５４においては、圧力Ｐ１に応じて、弁１２５Ａが制御される。以下においては、燃料電池スタック１が物理的劣化するおそれが高くなる圧力Ｐ１が上限であり、かつ、燃料電池スタック１が物理的劣化するおそれがなくなったと判断できる圧力Ｐ１を下限とした圧力範囲が、Ｓ５２〜Ｓ５４の処理にて用いられる。

ステップＳ５２においては、燃料電池スタック１内の圧力Ｐ１が適切な範囲の上限圧力Ｐｍａｘ以上であるか判定する。圧力Ｐ１が上限圧力Ｐｍａｘ以上である場合には（Ｓ５２：Ｙｅｓ）、燃料電池スタック１が物理的劣化するおそれがあり、圧力Ｐ１を下げる必要があると判断して、ステップＳ５３へと進む。一方、圧力Ｐ１が上限圧力Ｐｍａｘより低い場合には（Ｓ５２：Ｎｏ）、圧力Ｐ１を下げる必要がないと判断して、ステップＳ３２へと戻る。

ステップＳ５３においては、弁１２５Ａを開く。このようにすることで、燃料電池スタック１内の圧力Ｐ１が下がり、上限圧力Ｐｍａｘ以下となる。

ステップＳ５４においては、燃料電池スタック１内の圧力Ｐ１が下限圧力Ｐｍｉｎ以下であるか判定する。圧力Ｐ１が下限圧力Ｐｍｉｎ以下である場合には（Ｓ５４：Ｙｅｓ）、すでに、燃料電池スタック１が物理的劣化するおそれが低減したと判断して、ステップＳ５１へと進む。一方、圧力Ｐ１が下限圧力Ｐｍｉｎより高い場合には（Ｓ５４：Ｎｏ）、圧力Ｐ１を下げ続ける必要があると判断して、ステップＳ５４の判断を続ける。

第２実施形態の燃料電池システム１００によって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、燃料電池スタック１にかかる圧力に応じて、弁（排気弁）１２５Ａを操作する。弁１２５Ａが閉じられている間は、燃料電池システム１００外からの大気の流入が抑制されることになる。したがって、キャニスター７から排気燃焼器１２に燃料ガスが供給されて酸素が消費されるのに加えて、燃料電池システム１００内への大気の流入が抑制される。そのため、燃料電池スタック１のアノード電極の酸素分圧の上昇がさらに抑制され、アノード電極の酸化劣化を防ぐことができる。

また、燃料電池スタック１にかかる圧力が高くなりすぎると、燃料電池スタック１が物理的に劣化されるおそれがある。そこで、燃料電池スタック１内の圧力Ｐ１が上限圧力Ｐｍａｘよりも大きくなった場合には（Ｓ５２：Ｎｏ）、弁１２５Ａを開く（Ｓ５３）。その後、燃料電池スタック１内の圧力Ｐ１が下限圧力Ｐｍｉｎよりも小さくなった場合には（Ｓ５４：Ｙｅｓ）、弁１２５Ａを閉じる（Ｓ５１）。このようにすることにより、燃料電池スタック１が物理的劣化するのを抑制しながら、燃料電池スタック１外からの大気の流入を抑制することで、アノード電極の酸化劣化を抑制することができる。

（第３実施形態）
第１実施形態においては、燃料ガスポンプ８が設けられている例について説明したがこれに限らない。第３実施形態においては、燃料ガスポンプ８を設けない例について説明する。

図６は、第３実施形態の燃料電池システム１００のブロック図である。この図に示された概略構成図は、図１に示された第１実施形態におけるブロック図と比較すると、燃料ガスポンプ８が削除されている点が異なる。

図７は、第３実施形態の燃料電池システム１００の制御を示すフローチャートである。この図に示されたフローチャートは、図３に示された第１実施形態におけるフローチャートと比較すると、ステップ３１の前段にステップＳ７１が追加されている点と、ステップＳ３４、３５、及び、３７が削除されている点と、終了処理の前段にステップＳ７２が追加されている点が異なる。

ステップＳ７１においては、弁１１０Ａ、１２５Ａが閉じられることで、燃料電池システム１００への外気の流入が抑制される。このような状態で、燃料電池システム１００が冷却されると、燃料電池システム１００内にて気圧が低下して負圧が発生する。そのため、キャニスター７にて捕集された燃料ガスが自発的に経路１０８を介して排気燃焼器１２に供給されることになる。

そして、燃料電池スタック１の温度Ｔ１が停止温度Ｔｃ１を下回ると（Ｓ３２：Ｎｏ）、ステップＳ７２の処理が行われる。Ｓ７２においては、弁１１０Ａ、１２５Ａが開かれる。この状態では、燃料電池スタック１が十分に冷却されているため、アノード電極は大気と接触しても酸化劣化するおそれがない。そのため、弁を開放して、燃料電池システム１００を停止することができる。

第３実施形態の燃料電池システム１００によって以下の効果を得ることができる。

第３実施形態によれば、燃料電池システム１００を停止させる時には、弁１２５Ａ（排気弁）と、弁１１０Ａ（外気弁）とを閉じる。このようにすることにより、燃料電池システム１００内が密閉されることになる。ここで、燃料電池システム１００が停止した後には、燃料電池スタック１における発電が停止されるので、燃料電池システム１００の温度の低下が開始される。密閉された状態で温度が低下すると、圧力が低下して負圧が発生する。そのような状態においては、キャニスター７に捕集された燃料ガスは、自発的にキャニスター７外に供給されるので、経路１０８を経て排気燃焼器１２に供給される。このように、燃料ガスポンプ８を設けることなく排気燃焼器１２に燃料ガスを供給することができるので、燃料電池システム１００の構成を簡略化することができる。

また、第３実施形態によれば、燃料電池スタック１が十分に冷却された場合には（Ｓ３２：Ｎｏ）、弁１２５Ａ、及び、弁１１０Ａを開く。図２に示したように、燃料電池スタックの温度Ｔ１が停止温度Ｔｃ１を下回る場合には、カソード電極の酸素分圧Ｐａ＿Ｏ２が大気での酸素分圧Ｐａｉｒとなっても、カソード電極劣化するおそれがない。そのため、弁１１０Ａ、１２５Ａを開き、燃料電池システム１００を定常状態とすることにより、燃料電池スタック１には積極的に負圧がかからなくなるので、燃料電池スタック１の物理的劣化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。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２０１５−２４４１７２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 (11)

1. 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、
   前記アノードガスとなる液体の燃料を蓄える燃料タンクと、
   前記燃料タンクと前記燃料電池のアノード電極とを接続するアノード供給路と、
   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排気燃焼器と、
   前記燃料タンクと連通し、前記燃料タンク内にて気化した前記燃料を捕集する捕集器と、
   前記捕集器と前記排気燃焼器とを接続する燃料供給路と、を有し、
   前記燃料電池システムの停止時には、前記捕集器により捕集された前記燃料が、前記燃料供給路を介して前記排気燃焼器に供給される、
   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であって、
   前記燃料供給路に設けられ、前記捕集器により捕集された前記燃料を前記排気燃焼器へと供給するポンプを、さらに有する、
   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であって、
   前記燃料供給路に設けられた燃料ガス供給弁を、さらに有し、
   前記燃料ガス供給弁は、前記燃料電池システムの停止時には、前記燃料電池の温度に応じて制御される、
   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であって、
   前記燃料ガス供給弁は、前記燃料電池システムの停止時には、前記燃料電池の温度が所定の温度を下回る場合に、開かれる、
   燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料ガス供給弁は、前記燃料電池システムの停止時には、前記燃料電池の温度が低下するほど、開弁量が小さくなるように制御される、
   燃料電池システム。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記排気燃焼器からの排気を前記燃料電池システム外へと排気する排気路と、
   前記排気路に設けられる排気弁と、をさらに有し、
   前記排気弁は、前記燃料電池システムの停止時には、前記燃料電池システム内の圧力に応じて制御される、
   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であって、
   前記排気弁は、前記燃料電池システムの停止時には、前記燃料電池システム内の圧力が上限圧力を上回る場合に開かれ、前記燃料電池システム内の圧力が下限圧力を下回る場合に閉じられる、
   燃料電池システム。
8. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記排気燃焼器から排気を前記燃料電池システム外へと排気する排気路と、
   前記排気路に設けられた排気弁と、
   前記捕集器から前記燃料電池システム外へと連通する配管と、
   前記配管に設けられた外気弁と、をさらに有し、
   前記燃料電池システムの停止時には、前記排気弁及び前記外気弁は、閉じられる、
   燃料電池システム。
9. 請求項８に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の温度が停止温度を下回る場合には、前記排気弁及び前記外気弁は、開かれる、
   燃料電池システム。
10. 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、
    前記アノードガスとなる液体の燃料を蓄える燃料タンクと、
    前記燃料タンクと前記燃料電池のアノード電極とを接続するアノード供給路と、
    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排気燃焼器と、
    前記燃料タンクと連通し、前記燃料タンク内にて気化した前記燃料を捕集する捕集器と、
    前記捕集器と前記排気燃焼器とを接続する燃料供給路と、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時には、前記捕集器によって捕集された前記燃料が、前記燃料供給路を介して前記排気燃焼器に供給される、
    燃料電池システムの制御方法。
11. 請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料供給路の導通又は遮断が制御される、
    燃料電池システムの制御方法。

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