WO2017104257A1

WO2017104257A1 - 燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法

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Publication number: WO2017104257A1
Application number: PCT/JP2016/081139
Authority: WO
Inventors: 鈴木　健太; 竜也矢口
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2017-06-22

Abstract

本発明の燃料電池システムは、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る。前記燃料電池に接続した負荷と、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部と、前記燃料電池の通常運転中において、前記負荷に基づいて前記カソードガスの流量を制御する通常発電制御部と、前記燃料電池の停止制御において、停止後の目標温度に基づいて前記カソードガスの流量を制御する停止制御部と、を備える。

Description

燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法

　本発明は、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。

　特開２０１０－２７５７９号公報は、固体酸化物型の燃料電池にアノードガスとカソードガスを供給して発電を行うシステムを開示している。一方、燃料電池は、システムを停止する際に燃料電池のアノードの劣化を回避するために、燃料電池のアノード側を大気開放する前にアノードが劣化しない温度にまで冷却する必要がある。この場合、部品点数の増加の抑制のため、カソードガスを引き続き燃料電池に供給する構成が好適である。この方法であれば、カソードガスが燃料電池を内側から直接冷却することができるので、高い冷却効率が得られる。

　しかし、燃料電池の温度を急激に下げると内部に熱歪が発生し燃料電池を破損させる虞がある。またカソードガスの供給量を低下させれば熱歪は回避し得るが、その分温度低下が遅くなる。

　本発明は、燃料電池の停止制御において、温度低下を適正にして迅速な停止制御が可能な燃料電池システム、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。

　本発明の一態様における燃料電池システムは、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る。この燃料電池システムは、燃料電池に接続した負荷と、燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部と、燃料電池の通常運転中において、負荷に基づいてカソードガスの流量を制御する通常発電制御部と、燃料電池の停止制御において、停止後の目標温度に基づいてカソードガスの流量を制御する停止制御部と、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起動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制御方法の通常発電制御及び停止制御のシステムフローである。図４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５は、停止制御による燃料電池スタックの温度低下の推移とその消費電力について、制御方法同士で比較した図である。図６は、第２実施形態の燃料電池システムの制御方法の通常発電制御及び停止制御のシステムフローである。図７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。

　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。

［第１実施形態］
［燃料電池システムの構成］
　図１は、本実施形態における燃料電池システム１０の主要構成を示すブロック図である。燃料電池システム１０は、制御部４８により全体が制御されるものである。そして、車両用バッテリ３６とモータ４６（インバータ４４）とを接続する電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂ（例えば３６０Ｖ）に、燃料電池スタック１２（燃料電池）等が接続ライン３２Ａ，３２Ｂ等を介して接続されたものである。

　接続ライン３２Ａ，３２Ｂには、ＤＣ－ＤＣコンバータ２６（負荷）、ＤＣ－ＤＣコンバータ２８が並列に接続されている。また接続ライン３２Ａは、スイッチ３０Ａに接続され、接続ライン３２Ｂは、スイッチ３０Ｂに接続されている。電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂには、車両用バッテリ３６（負荷）、インバータ４４（負荷）が接続され、インバータ４４はモータ４６に接続されている。また、プラス極側となる電力供給ライン３４Ａからは分岐線３５Ａが分岐し、これがスイッチ３０Ａに接続している。同様に、マイナス極側となる電力供給ライン３４Ｂからは分岐線３５Ｂが分岐し、これがスイッチ３０Ｂに接続している。

　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、改質器により改質されたアノードガス（燃料ガス）が供給されるアノード（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（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１２は、ＤＣ－ＤＣコンバータ２６を介して接続ライン３２Ａ，３２Ｂに接続される。なお、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１４が取り付けられている。

　ＤＣ－ＤＣコンバータ２６は、入力側が燃料電池スタック１２に接続され、出力側（昇圧側）が接続ライン３２Ａ，３２Ｂに接続されている。ＤＣ－ＤＣコンバータ２６は、燃料電池スタック１２の出力電圧（例えば６０Ｖ、若しくはそれ以下の電圧）を電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂの電圧に昇圧して接続ライン３２Ａ，３２Ｂに供給するものである。これにより、燃料電池スタック１２から接続ライン３２Ａ，３２Ｂ及び電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂを介して車両用バッテリ３６またはモータ４６（インバータ４４）に電力が供給される。

　ＤＣ－ＤＣコンバータ２８は、入力側が接続ライン３２Ａ，３２Ｂに接続され出力側（降圧側、例えば４２Ｖ）にはポンプ１６、コンプレッサー１８（カソードガス供給手段）、補機用バッテリ２０（負荷）、電圧印加回路２４が並列に接続されている。

　ポンプ１６は、燃料電池スタック１２にアノードガス（燃料）を供給する補機であり、制御部４８の制御によりその供給量（流量）を制御することができる。コンプレッサー１８（カソードガス供給部）は、燃料電池スタック１２に対してカソードガス（空気）等を供給する補機であり、制御部４８の制御によりその供給量（流量）を制御することができる。

　その他、燃料電池スタック１２を駆動させる補機には、アノードガスやカソードガスを流通させる経路の開閉を行う弁（不図示）、起動制御中に燃料電池スタック１２に供給する加熱用の燃焼ガスを生成する起動燃焼器（不図示）等がある。

　補機用バッテリ２０は、ＤＣ－ＤＣコンバータ２８からの電力供給により充電されるとともに、ポンプ１６、コンプレッサー１８、電圧印加回路２４に電力を供給することができる。なお、補機用バッテリ２０には、その充電量を測定する充電チェッカー２２が取り付けられ、充電量が所定量よりも低くなる場合に充電要求情報を制御部４８に出力し、所定量以上であれば充電要求情報の出力を停止する。

　電圧印加回路２４は、燃料電池スタック１２とは極性が逆の起電力を燃料電池スタック１２の外部から印加する回路であり、ＤＣ－ＤＣコンバータ２８の出力電圧を昇圧（若しくは降圧）して燃料電池スタック１２に印加する。電圧印加回路２４は、制御部４８による制御により燃料電池スタック１２の発電停止後に駆動する。

　スイッチ３０Ａは、一方が分岐線３５Ａに接続され、他方が接続ライン３２Ａに接続されている。スイッチ３０Ｂは、一方が分岐線３５Ｂに接続され、他方が接続ライン３２Ｂに接続されている。スイッチ３０Ａ，３０Ｂは燃料電池システム１０の通常発電制御時は、接続ライン３２Ａ，３２Ｂ（ＤＣ－ＤＣコンバータ２６）を電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂに接続するが、起動制御中及び停止制御中は接続ライン３２Ａ，３２Ｂを電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂから遮断する。

　車両用バッテリ３６は、電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂに接続された主電源３８（例えば３６０Ｖ）と、主電源３８のプラス極側に接続されたスイッチ４２Ａと、主電源３８のマイナス極側に接続されたスイッチ４２Ｂと、を有する。スイッチ４２Ａは、一方が主電源３８のプラス極側に接続され、他方が電力供給ライン３４Ａに接続されている。スイッチ４２Ｂは、一方が主電源３８のマイナス極側に接続され、他方が電力供給ライン３４Ｂに接続されている。スイッチ４２Ａ，４２Ｂは燃料電池システム１０の通常発電制御時は、車両用バッテリ３６を電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂに接続するが、起動制御中及び停止制御中は車両用バッテリ３６を電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂから遮断する。

　車両用バッテリ３６には、その充電量を測定する充電チェッカー４０が取り付けられ、充電量が所定量よりも低くなる場合に充電要求情報を制御部４８に出力し、所定量以上であれば充電要求情報の出力を停止する。

　制御部４８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。その際、制御部４８は、上記各構成要素の駆動・停止制御（ＯＮ・ＯＦＦ制御）を行うことができる。

［燃料電池システムの起動制御の手順］
　本実施形態の燃料電池システム１０の起動制御の手順を図２のフローチャートに従って説明する。初期状態において、スイッチ３０Ａ，３０Ｂ，スイッチ４２Ａ，４２Ｂは全てＯＦＦになっている。また、車両用バッテリ３６及び補機用バッテリ２０は、起動制御に必要な所定の充電量以上の電力を蓄えているものとする。

　システムが起動制御を開始すると、ステップＳ００１において、制御部４８は、起動燃焼器、ポンプ１６、コンプレッサー１８をＯＮにし、燃料電池スタック１２に対する起動制御（暖機制御）を開始する。その際、ポンプ１６及びコンプレッサー１８は、補機用バッテリ２０からの電力により駆動する。これにより、燃料電池スタック１２には後述の発電可能温度に到達するまで燃料電池スタック１２の起動制御が行われる。

　ステップＳ００２において、制御部４８は、スイッチ４２Ａ、スイッチ４２ＢをＯＮにして車両用バッテリ３６を、電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂに接続し、電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂ、インバータ４４に所定の電圧（例えば３６０Ｖ）を印加する。これにより、ドライバーのアクセル操作に基づいてモータ４６を任意の回転速度で回転させることができる。ステップＳ００３において、制御部４８は、スイッチ３０Ａ、スイッチ３０ＢをＯＮにし、接続ライン３２Ａ，３２Ｂを電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂに接続する。

　ステップＳ００４において、制御部４８は、ＤＣ－ＤＣコンバータ２８をＯＮにし、車両用バッテリ３６の電力をポンプ１６、コンプレッサー１８、補機用バッテリ２０（及び電圧印加回路２４）に供給できるようにする。

　ステップＳ００５において、制御部４８は、温度センサ１４が測定する温度により、燃料電池スタック１２の温度が発電可能な下限となる発電可能温度に到達したか否か判断する。ステップＳ００５において是（ＹＥＳ）と制御部４８が判断すると、ステップＳ００６において、制御部４８は、起動燃焼器をＯＦＦにして燃料電池スタック１２に対する起動制御を終了し、ポンプ１６によりアノードガス（改質ガス）を燃料電池スタック１２のアノードに供給し、コンプレッサー１８によりカソードガスを燃料電池スタック１２のカソードに供給し、電気化学反応により燃料電池スタック１２が発電する。

　ステップＳ００７において、制御部４８は、ＤＣ－ＤＣコンバータ２６をＯＮにする。これにより、燃料電池スタック１２は、発電した電力をＤＣ－ＤＣコンバータ２６を介して電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂに供給する。また、燃料電池スタック１２は、発電した電力を、ＤＣ－ＤＣコンバータ２６及びＤＣ－ＤＣコンバータ２８を介して、ポンプ１６、コンプレッサー１８、補機用バッテリ２０（及び電圧印加回路２４）に供給する。以上より、燃料電池システム１０の起動制御が終了する。

［燃料電池システムの通常発電制御の手順］
　第１実施形態の燃料電池システム１０の制御方法の通常発電制御の手順を、図３に示すシステムフローに基づいて説明する。通常発電（通常運転）時において、インバータ４４（ＤＣ－ＤＣコンバータ２６）は、ドライバーのアクセル操作に対応してモータ４６を回転させるための駆動要求情報を制御部４８に出力している。また、車両用バッテリ３６（ＤＣ－ＤＣコンバータ２６）はその充電量が所定値よりも低くなると充電要求情報を制御部４８に出力している。

　ステップＳ１０１において、制御部４８（通常発電制御部）は、前述の駆動要求情報及び充電要求情報に基づいて燃料電池スタック１２がインバータ４４及び車両用バッテリ３６に出力すべき要求電流Ｉを算出し、またこの要求電流Ｉを出力するために補機（ポンプ１６、コンプレッサー１８等）が燃料電池スタック１２に要求する補機電流Ｉ'を算出する。補機電流Ｉ'の大きさは、要求電流Ｉの大きさに依存する。

　ステップＳ１０２において、制御部４８は、燃料電池スタック１２が出力すべき電流の総和、すなわち目標電流（Ｉ＋Ｉ'）（要求電力）を算出する。ステップＳ１０３において、制御部４８は、目標電流（Ｉ＋Ｉ'）に対応するポンプ１６によるアノードガス供給量Ｑａを算出する。アノードガス供給量Ｑａ（流量）の大きさは、目標電流（Ｉ＋Ｉ'）の大きさに依存する。

　ステップＳ１０４において、制御部４８は、目標電流（Ｉ＋Ｉ'）に対応するコンプレッサー１８が供給するカソードガス供給量Ｑｃｍｉｎ（流量）を算出する。この供給量Ｑｃｍｉｎは、供給量Ｑａで供給されたアノードガスとの電気化学反応を行うのに必要となる最小の供給量であり、その大きさは、目標電流（Ｉ＋Ｉ'）の大きさに依存する。

　ステップＳ１０５において、制御部４８は、目標電流（Ｉ＋Ｉ'）に対応する燃料電池スタック１２の目標温度Ｔを算出する。この目標温度Ｔは、燃料電池スタック１２が目標電流（Ｉ＋Ｉ'）を安定的に出力するための中心温度であり、この温度を中心とした一定の範囲で目標電流（Ｉ＋Ｉ'）を安定的に出力できる。

　ステップＳ１０６において、制御部４８は、ポンプ１６にアノードガス供給量の指令値を入力する。これにより、ポンプ１６は目標電流（Ｉ＋Ｉ'）に対応した流量のアノードガスを燃料電池スタック１２に供給することができる。

　ステップＳ１０７において、制御部４８は、目標温度Ｔと温度センサ１４で測定した現在温度Ｔｐに基づいてカソードガス供給量Ｑｃ（流量）を算出する。このＱｃは、燃料電池スタック１２の温度が目標温度Ｔとなるように温度制御を行うためのカソードガスの供給量であり、その大きさは、目標温度Ｔ、及び燃料電池スタック１２の現在温度Ｔｐ（実温度）と目標温度Ｔとの差分に依存した関数Ｆにより表され、Ｑｃ＝Ｆ（Ｔ，Ｔｐ－Ｔ）となる。ここで、現在温度Ｔｐが目標温度Ｔよりも高ければ、Ｆ（Ｔ，Ｔｐ－Ｔ）はＦ（Ｔ，０）よりも大きくなり、逆に現在温度Ｔｐが目標温度Ｔよりも低ければ、Ｆ（Ｔ，Ｔｐ－Ｔ）は、Ｆ（Ｔ，０）よりも小さくなる。これにより、燃料電池スタック１２の現在温度Ｔｐを目標温度Ｔに収束させることができる。また、Ｔｐ－Ｔが正の方向に大きくなるほどＦ（Ｔ，Ｔｐ－Ｔ）は大きくなり、逆にＴｐ－Ｔが負の方向に大きくなるほどＦ（Ｔ，Ｔｐ－Ｔ）は小さくなる。これにより、燃料電池スタック１２の現在温度Ｔｐを目標温度Ｔに収束させる時間を短縮することができる。

　ステップＳ１０８において、制御部４８は、Ｑｃｍｉｎ及びＱｃのうちいずれか大きいほうを選択する。制御部４８がＱｃを選択した場合は、供給量Ｑａで供給されたアノードガスとの電気化学反応を行うのに必要となる最小の供給量を確保しつつ、燃料電池スタック１２を目標温度Ｔに収束させるカソードガスの供給量となる。一方、制御部４８がＱｃｍｉｎを選択した場合は、供給量Ｑａで供給されたアノードガスとの電気化学反応を行うのに必要となる最小のカソードガスの供給量を優先し、燃料電池スタック１２を目標温度Ｔに収束させるのを一時的に断念するカソードガスの供給量となる。

　ステップＳ１０９において、制御部４８は、コンプレッサー１８にカソードガス供給量の指令値を入力する。これにより、コンプレッサー１８は、目標温度Ｔに対応した供給量のカソードガス、または目標電流（Ｉ＋Ｉ'）に対応した供給量のカソードガスを燃料電池スタック１２に供給することができる。

　上記通常発電制御において、ＱｃｍｉｎとＱｃの大小関係が目標電流（Ｉ＋Ｉ'）の時間変化に応じて入れ替わる等の場合は上記制御となる。しかし、燃料電池スタック１２等の仕様により、Ｑｃが常にＱｃｍｉｎよりも大きくなる場合は、ステップＳ１０４を省略することができる。また、逆にＱｃｍｉｎが常にＱｃよりも大きくなる場合は、ステップＳ１０５を省略することができる。

［燃料電池システムの停止制御］
　燃料電池システム１０の停止制御は、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、車両用バッテリ３６がフル充電となり燃料電池スタック１２に対する通常運転（通常発電）の要求が停止したことを契機に開始することができる。また停止制御は、燃料電池スタック１２のアノードの酸化（劣化）が起こる温度の下限となる劣化反応温度以下になったところで終了することができる。

　燃料電池スタック１２に対する停止制御としては、以下の制御Ａ～制御Ｄの方法がある。
　制御Ａ：強制冷却
　燃料を供給するポンプ１６を停止させて燃料の供給を停止し、コンプレッサー１８は引き続き動作させ、カソードガスを冷却ガスとして引き続き燃料電池スタック１２に供給する。この冷却ガスにより燃料電池スタック１２は空冷される。また、このとき、アノードの酸化を防止するために、使用後のアノードオフガスの排気経路にある弁（不図示）を閉止して酸素の逆流を防止する制御を行う。

　制御Ｂ：逆起電力印加
　アノードの劣化（酸化）を電気的に防止する制御として、電圧印加回路２４を用いて燃料電池スタック１２とは極性が逆の起電力（逆起電力）を燃料電池スタック１２外部から印加する。この場合、燃料電池スタック１２は大気中に熱を放出することで自然に温度低下していく。なお、この場合も、使用後のアノードオフガスの排気経路にある弁（不図示）を閉止して酸素の逆流を防止する制御を行うことが好適である。

　燃料電池スタック１２を高温のまま停止させる際に、アノードガスの供給を停止するとアノード内に酸素が侵入してくる。この酸素はアノード極のニッケルと反応し、酸化ニッケルとなることでアノード極に割れ等が発生する可能性がある。そこで、これを防止するために本実施形態では、燃料電池スタック１２の外部から燃料電池スタック１２とは逆の起電力を印加する。これにより、電流（電荷）の流れを通常とは反対にすることができるので、電荷の移動がアノードからカソードとなることに伴い、アノードに入った酸素を電解質膜を通じてカソード側へ送ることができる。これにより、アノード極のニッケルとの反応を抑制できる。なお、燃料電池スタック１２は、カソードに酸素（カソードガス）、アノードに燃料ガス（アノードガス）が存在することで、電位を生成するが、外部から印加する逆起電力は、燃料電池スタック１２の開放端電圧より高い必要があることは言うまでもない。

　制御Ｃ：強制冷却＋逆起電力印加
　制御Ａと制御Ｂとを合わせた制御であり、強制冷却による短時間の冷却と逆起電力によるアノードの電気的な酸化防止制御により、停止制御を短時間でより確実に行うことができる。

　制御Ｄ：自立運転冷却
　燃料を供給するポンプ１６の出力を低下させ、燃料電池スタック１２がポンプ１６及びコンプレッサー１８の消費電力（及び補機用バッテリ２０への充電）を賄える程度の発電を維持しながら燃料電池スタック１２の温度を低下させていく。このとき、カソードガスは、カソードガスとしてのみならず冷却ガスとして機能する。

　上記方法のうち、制御Ａ～制御Ｃは、補機用バッテリ２０の電力を必要とするが、補機用バッテリ２０が電力を賄える限り停止制御終了まで継続させることができる。一方、制御Ｄは、補機用バッテリ２０の電力を用いることなく燃料電池スタック１２が自立して停止制御可能となるが、燃料電池スタック１２が発電可能温度より低くなると行うことはできない。

　ところで、燃料電池スタック１２の停止制御開始時の温度は、通常発電終了時の燃料電池スタック１２の温度とほぼ同じであるが、通常発電終了時の使用状態によりその温度は変化する。また、燃料電池スタック１２の温度が高いほど燃料電池スタック１２内の熱勾配が大きくなる。この場合、停止制御開始直後から急激に冷却させると燃料電池スタック１２に対する熱歪が大きくなり、燃料電池スタック１２が破損するおそれがある。逆に、燃料電池スタック１２の温度が低い場合に燃料電池スタック１２をゆっくり冷却させると冷却時間に無駄が生じ燃料電池スタック１２を効率的に冷却させることはできない。

　そこで、本実施形態では、熱歪を低減しつつ燃料電池スタック１２を効率的に冷却させるために停止制御時の燃料電池スタック１２の目標温度の時間経過に伴う温度低下を最適化させた目標温度曲線５０（図３）を設定する。そして、この目標温度曲線５０に沿って燃料電池スタック１２が冷却できるようにカソードガスの供給量を制御している。ここで、目標温度曲線５０は、燃料電池スタック１２の通常運転の停止後の経過時間に応じて低くなる曲線であるが、燃料電池スタック１２ごとに最適化された目標温度Ｔの温度変化の理想曲線である。そして、目標温度曲線５０は、上記理由により、高温での冷却速度は小さく、温度が時間経過とともに低くなるほど冷却速度が大きくなるように設定することが好適である。しかし、燃料電池スタック１２の冷却中の熱歪の影響がほとんどない場合には、冷却速度を一定にする、すなわち温度が直線的に減少するように設定してもよい。

　本実施形態では、燃料電池スタック１２の温度が発電可能温度以上ある場合は、上記制御Ｄの停止制御を行うが、前述の目標温度曲線５０に従って燃料電池スタック１２の温度を低下させる。一方、燃料電池スタック１２の温度が発電可能温度よりも低くなった場合は、目標温度曲線５０による温度制御を停止し、制御Ｂにより停止制御を継続する。これにより、熱歪を与えることなく燃料電池スタック１２の冷却を効率的に行うとともに、制御Ｂに用いる電力を制御Ｄで予め賄うことにより、結果的に燃料電池スタック１２で消費する電力を低減することができる。

［燃料電池システムの停止制御時の動作］
　第１実施形態の燃料電池システム１０の制御方法の停止制御の手順を、図３に示すシステムフロー、及び図４に示すフローチャートに基づいて説明する。

　ステップＳ２００において、システムが停止制御開始すると、ステップＳ２０１において、制御部４８（停止制御部）は、スイッチ３０Ａ、３０ＢをＯＦＦにして接続ライン３２Ａ，３２Ｂを電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂから遮断し、スイッチ４２Ａ，４２ＢをＯＦＦにして車両用バッテリ３６を電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂから遮断する。また、このとき、制御部４８は、前述のステップＳ１０５の算出を停止する（図３）。

　ステップＳ２０２において、制御部４８は、温度センサ１４により燃料電池スタック１２の停止制御開始時の初期温度Ｔ０を測定する。ステップＳ２０３において、制御部４８は、目標温度曲線５０において初期温度Ｔ０と一致する最初の目標温度Ｔと、当該目標温度Ｔに対応する時刻ｔ０を特定する。これにより、制御部４８は、ステップＳ２０４において、時刻ｔ０の位置から時間変化に従って目標温度曲線５０上の目標温度Ｔを出力することができる。

　ステップＳ２０５において、制御部４８は、目標温度Ｔと温度センサ１４で測定した現在温度Ｔｐに基づいて温度制御用のカソードガス供給量Ｑｃを算出する。なお、この段階では、最初の目標温度Ｔ及び時刻ｔ０を特定した時間と現在温度Ｔｐを測定した時間の時差はほとんどないので、Ｔｐ―Ｔはほぼゼロである。

　ステップＳ２００～ステップＳ２０５に並行して、制御部４８（停止制御部、または通常発電制御部）は、制御Ｄを行うため、前述のステップＳ１０１～ステップＳ１０４、ステップＳ１０６を実行する。このとき、車両用バッテリ３６からの充電要求情報及びインバータ４４からの駆動要求情報はないので、その分目標電流（Ｉ＋Ｉ'）は、発電制御時よりも小さくなっている。このとき、要求電流Ｉは、補機用バッテリ２０からの充電要求情報に基づき生成され、補機電流Ｉ'は、引き続きポンプ１６及びコンプレッサー１８の要求に基づき生成される。さらに、制御部４８は、前述のステップＳ１０８（図３）を実行して、Ｑｃ及びＱｃｍｉｎのいずれかを選択するが、Ｑｃｍｉｎは通常発電時よりも小さく、停止制御中はＱｃのほうがＱｃｍｉｎよりも大きい場合がほとんどであるので、Ｑｃが選択される。

　ステップＳ２０６において、制御部４８は、コンプレッサー１８にカソードガス供給量の指令値を入力する。これにより、コンプレッサー１８は、目標温度曲線５０に従って時間変化とともに低下する目標温度Ｔに対応した供給量のカソードガスを燃料電池スタック１２に供給することができる。これにより、燃料電池スタック１２は目標温度Ｔの目標温度曲線５０に従って冷却が進行する。また、ステップＳ１０６及びステップＳ２０６により、補機用バッテリ２０に対する充電も行われる。

　ステップＳ２０７において、制御部４８は、補機用バッテリ２０の充電が完了したか否かを判断する。ここで、補機用バッテリ２０の充電量は後に行う制御Ｂに必要な電力量に基づいて設定することが好適である。ステップＳ２０７において是（ＹＥＳ）と判断した場合、ステップＳ２０８において、制御部４８は要求電流Ｉがゼロになったと判断し、以後は要求電流Ｉがゼロのときの補機電流Ｉ'について算出すればよいと判断する。これにより、以後の燃料電池スタック１２の発電量、すなわち、アノードガス供給量Ｑａ及びカソードガス供給量（Ｑｃ及びＱｃｍｉｎ）を抑制することができる。なお、ステップＳ２０７において否（ＮＯ）と制御部４８が判断した場合は、そのまま次のＳ２０９に移行する。

　ステップＳ２０９において、制御部４８は、燃料電池スタック１２の温度が第１の所定温度（発電可能温度）以上であるか否か判断する。ステップＳ２０９において否（ＮＯ）、すなわち燃料電池スタック１２の温度が発電可能温度よりも低くなったと判断した場合、ステップＳ２１０においてポンプ１６、コンプレッサー１８をＯＦＦにし、アノードガス、カソードガスの燃料電池スタック１２への供給を停止する。

　ステップＳ２１１において、制御部４８は電圧印加回路２４をＯＮにし、補機用バッテリ２０の電力を利用して燃料電池スタック１２にアノード保護用の逆起電力を印加する。

　ステップＳ２１２において、制御部４８は、温度センサ１４が測定する温度により燃料電池スタック１２の温度が第２の所定温度（劣化反応温度）以上であるか否か判断する。ステップＳ２１２において是（ＹＥＳ）の制御部４８が判断した場合、ステップＳ２１１の状態を継続する。一方、ステップＳ２１２において否（ＮＯ）と制御部４８が判断した場合、ステップＳ２１３において制御部４８は、電圧印加回路２４をＯＦＦにする。これにより、ステップＳ２１４において、制御部４８は、補機電流Ｉ'はゼロになったと判断することができ、停止制御が終了する（ステップＳ２１５）。

　一方、ステップＳ２０９において是（ＹＥＳ）と判断した場合、ステップＳ２１６において、制御部４８は目標温度曲線５０上の目標温度Ｔを出力する。ステップＳ２１７において、制御部４８は、目標温度Ｔと、当該目標温度Ｔを出力時に温度センサ１４で測定した現在温度Ｔｐと、に基づいて温度制御用のカソードガス供給量Ｑｃを算出する。ステップＳ２１７ののち、前述のステップＳ２０６に移行する。

　なお、補機用バッテリ２０が停止制御前から前述の制御Ｂを行うための充電量を確保している場合、停止制御における目標電流（Ｉ＋Ｉ'）を、ポンプ１６及びコンプレッサー１８の消費電力を賄う程度の値にまで下げることができ、上記ステップＳ２０７、ステップＳ２０８を省略することができる。

［第１実施形態の効果］
　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の通常運転中において、負荷（車両用バッテリ３６及びインバータ４４）に基づいてカソードガスの流量を制御する通常発電制御部（制御部４８）と、燃料電池スタック１２の停止制御において、通常運転の停止後の目標温度に基づいてカソードガスの流量を制御する停止制御部（制御部４８）と、を備えている。すなわち、燃料電池スタック１２の通常発電制御において、制御部４８（通常発電制御部）は、負荷（車両用バッテリ３６及びインバータ４４）、ポンプ１６、及びコンプレッサー１８からの要求を含む要求電力、及び／または、燃料電池スタック１２の温度に基づいてカソードガスの流量を制御している。また、燃料電池スタック１２の停止制御において、制御部４８（停止制御部）は、停止制御時の目標温度（目標温度曲線５０）に基づいてカソードガスの流量を制御している。これにより、燃料電池スタック１２に熱歪を与えることなく燃料電池スタック１２の冷却を効率的に行うことができる。

　ここで、燃料電池スタック１２の目標温度（目標温度曲線５０）は、通常発電の停止後の経過時間に応じて低くなっている。よって、制御部４８（停止制御部）は、カソードガスの流量を、当該目標温度（目標温度曲線５０）に基づいて制御している。これにより、停止制御開始時の燃料電池スタック１２の温度が一定でなくても、燃料電池スタック１２に熱歪を与えることなく燃料電池スタック１２の冷却を効率的に行うことができる。

　制御部４８（通常発電制御部、停止制御部）は、カソードガスの流量を、目標温度Ｔと燃料電池スタック１２の現在温度Ｔｐ（実温度）との差分に基づいて制御している。これにより、燃料電池スタック１２の現在温度Ｔｐを目標温度Ｔに収束させることができる。

　制御部４８（通常発電制御部、停止制御部）は、燃料電池スタック１２の現在温度Ｔｐ（実温度）から目標温度Ｔを引いた差分が大きいほどカソードガスの流量を大きくしている。これにより、燃料電池スタック１２の現在温度Ｔｐを目標温度Ｔに収束させる時間を短縮することができる。

　停止制御において、前述の負荷は補機用バッテリ２０であり、制御部４８（停止制御部）は、補機用バッテリ２０の充電量に基づいて（充電の要・不要に基づいて）燃料電池スタック１２の発電量を制御している。これにより、停止制御において補機用バッテリ２０が充電されるので、補機用バッテリ２０の電力を用いて停止制御を最後まで行うことが可能となる。また、補機用バッテリ２０の充電完了後は燃料電池スタック１２の発電量を抑制できるので、以後の燃料電池スタック１２の冷却を効率よく行うことができる。さらに、補機用バッテリ２０の電力により燃料電池スタック１２の次の起動制御が可能となる。なお、通常発電制御時において、前述の負荷は車両用バッテリ３６及びインバータ４４となり、これらの要求に応じて制御部４８（通常発電制御部）は、燃料電池スタック１２の発電量を制御している。

　制御部４８（停止制御部）は、補機用バッテリ２０の充電量を、燃料電池スタック１２の発電の停止後に燃料電池スタック１２とは逆の起電力（逆起電力）を燃料電池スタック１２に印加するのに必要な電力量に基づいて設定している。これにより、停止制御において逆起電力印加（制御Ｂ）を停止制御終了までより確実に行うことができる。

　燃料電池スタック１２とは逆の起電力（逆起電力）を燃料電池スタック１２に印加する電圧印加回路２４を備え、制御部４８（停止制御部）は、燃料電池スタック１２の温度が第１の所定温度以上である間は、燃料電池スタック１２の発電を継続し、第１の所定温度より低くなったら燃料電池スタック１２の発電を停止して、電圧印加回路２４を駆動する制御を行っている。これにより、燃料電池スタック１２の温度を第１の所定温度以上に維持する限り逆起電力印加に必要な電力を確保することができる。

　制御部４８（停止制御部）は、燃料電池スタック１２の温度（現在温度）が第１の所定温度よりも低く、かつ第１の所定温度よりも低い第２の所定温度以上である場合は電圧印加回路２４の駆動を継続し、第２の所定温度よりも低くなったら電圧印加回路２４の駆動を停止している。これにより、停止制御中において燃料電池スタック１２のアノードの劣化を回避することができる。

　制御部４８（停止制御部）は、第１の所定温度を燃料電池スタック１２が発電可能な下限の温度となる発電可能温度に設定可能とされ、第２の所定温度を燃料電池スタック１２のアノードの劣化を回避できる上限の温度となる劣化反応温度に設定可能とされる。

　これにより、停止制御中において燃料電池スタック１２の補機用バッテリ２０への充電量を最大にすることができ、燃料電池スタック１２のアノードの劣化をより確実に回避することができる。なお、第１の所定温度は発電可能温度よりも高い温度に設定してもよいし、第２の所定温度も劣化反応温度よりも高い温度に設定してもよい。

　本実施形態において、停止制御開始時にスイッチ４２Ａ，４２ＢをＯＦＦにして車両用バッテリ３６を電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂから遮断し、スイッチ３０Ａ，３０ＢをＯＦＦにして燃料電池スタック１２等を電力供給ライン３４Ａ，３４Ｂから遮断しているが、この手順を省略してもよい。この場合、停止制御において、車両用バッテリ３６の電力を利用して上記制御Ａ、制御Ｂ、制御Ｃを行うことができ、かつ補機用バッテリ２０を充電することができる。また、制御Ａ，制御Ｃのいずれかを行いながら目標温度曲線５０に従って燃料電池スタック１２を劣化反応温度以下になるまで冷却することもできる。さらに、停止制御中において、制御部４８は、ＱｃがＱｃｍｉｎよりも小さくなる場合は、Ｑｃｍｉｎに基づいてカソードガス供給量の指令値をコンプレッサー１８に入力することが可能である。

［停止制御中の消費電力の検討］
　図５は、停止制御による燃料電池スタック１２の温度低下の推移とその消費電力について、制御方法同士で比較した図である。本願発明者は、停止制御開始から燃料電池スタック１２の温度が前述の第２の所定温度（３００℃）に到達するまでの消費電力を以下の３つの制御方法について比較検討した。なお、いずれの制御方法においても停止制御開始時期の燃料電池スタック１２の温度を７５０℃に統一した。

　制御１：上記制御Ｂ（逆起電力印加）により停止制御を開始し、第２の所定温度に到達するまでこれを継続する。
　制御２：上記制御Ａ（強制冷却）により停止制御を開始し、第２の所定温度に到達するまでこれを継続する。
　制御３：上記制御Ｄ（自立運転冷却）により停止制御を開始し、前述の第１の所定温度（５５０℃）に到達したところで制御Ｂ（逆起電力印加）に切り替え第２の所定温度に到達するまでこれを継続する。

　制御１では、燃料電池スタック１２の温度を第２の所定温度まで冷却するのに１５時間要し、消費電力は１．８［ｋＷｈ］となった。制御１では、燃料電池スタック１２において逆起電力印加に伴う熱がある程度発生しており、アノードガス、カソードガスの供給を停止した状態で燃料電池スタック１２を自然冷却した場合よりもやや冷却速度が遅くなっていると考えられる。

　制御２では、燃料電池スタック１２の温度が第２の所定温度まで冷却するのに５４分で済んだが、コンプレッサー１８の要求電流が大きいため、消費電力は１．４［ｋＷｈ］となった。

　制御３では、燃料電池スタック１２の温度を第１の所定温度まで冷却するのに約４０分必要とし、第２の所定温度まで冷却するのに１０時間４８分要した。制御３において燃料電池スタック１２を第１の所定温度まで冷却する間は燃料電池スタック１２が発電しているので、その分、制御２よりも冷却速度が遅くなっている。一方、燃料電池スタック１２を第１の所定温度まで冷却した時刻から第２の所定温度まで冷却するまでは制御１と同様の制御方法であるので、冷却速度は制御１とほぼ同様と考えられる。一方、制御３による消費電力は１．２［ｋＷｈ］となっている。

　制御３では、停止制御開始から燃料電池スタック１２の温度が第１の所定温度に冷却されるまでの間は、燃料電池スタック１２が発電しているため消費電力が実質的にゼロであり、その後は制御１と同様に電力を消費している。よって、制御３は制御１よりも明らかに消費電力が小さくなる。また、制御２において、コンプレッサー１８に供給された電力のうちカソードガスを供給する成分はその一部であり、残りの部分が損失となっている。損失とは、例えばコンプレッサー１８の発熱や、コンプレッサー１８のカソードガスの供給時のカソードガスの漏れ等がある。また、制御２を行っている間当該損失は継続している。以上から、制御３が上記３つの制御方法のうち最も消費電力が小さくなったものと考えられる。

［第２実施形態］
　第２実施形態の燃料電池システムの制御方法を実現する燃料電池システムの構成、起動制御、通常発電制御は第１実施形態と同様なので説明を省略する。

［燃料電池システムの停止制御］
　本実施形態では、燃料電池スタック１２の停止制御において、燃料電池スタック１２の補機用バッテリ２０（負荷）への電力供給を維持しつつ燃料電池スタック１２の発熱よりもカソードガスによる燃料電池スタック１２からの放熱が多くなるようにカソードガスの供給量を制御して燃料電池を冷却する点で第１実施形態と相違する。具体的には、後述のように、停止制御中のカソードガスの供給量Ｑｃｍａｘ（流量）を設定し、その供給量にて燃料電池スタック１２の冷却を進行させる。本実施形態は、燃料電池スタック１２の冷却開始時に生じる熱歪が小さい、停止制御中の燃料電池スタック１２の発電量の変化も小さい等の理由により、前述の目標温度曲線５０を必要としない場合に有効である。

［燃料電池システムの停止制御時の動作］
　第２実施形態の燃料電池システムの制御方法の停止制御の手順を、図６に示すシステムフロー、及び図７に示すフローチャートに基づいて説明する。

　前述のステップＳ２０１ののち、ステップＳ２０２ａにおいて、制御部４８は、燃料電池スタック１２を冷却するためのカソードガス供給量Ｑｃｍａｘを設定する。Ｑｃｍａｘはコンプレッサー１８のカソードガス供給量の最大値でもよいし、それ以下でもよいが、前述のステップＳ１０８においてＱｃｍｉｎが選択されない値を下限とすることが好適である。

　ステップＳ２０６において、制御部４８は、コンプレッサー１８にカソードガス供給量の指令値を入力する。これにより、コンプレッサー１８は、Ｑｃｍａｘに対応した所定量のカソードガスを燃料電池スタック１２に供給することができる。そして、燃料電池スタック１２は時間経過とともに冷却が進行する。

　その後、前述のステップＳ２０７、ステップＳ２０８に移行し、ステップＳ２０９において、制御部４８は、燃料電池スタック１２の温度が第１の所定温度（発電可能温度）以上であるか否か判断する。ステップＳ２０９において否（ＮＯ）、すなわち燃料電池スタック１２の温度が発電可能温度よりも低くなったと制御部４８が判断した場合は前述のステップＳ２１０に移行する。一方、是（ＹＥＳ）と制御部４８が判断した場合は、前述のステップＳ２０７に戻る。

［第２実施形態の効果］
　第２実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１２の停止制御において、制御部４８（停止制御部）は、燃料電池スタック１２の（発電による）発熱よりもカソードガスによる燃料電池スタック１２からの放熱が多くなるようにカソードガスの流量を制御している。これにより、停止制御において一度カソードガス供給量Ｑｃｍａｘを設定すれば、その後は第１実施形態のように現在温度Ｔｐを常時モニタしてＱｃをその都度算出する制御は不要なので、制御のための電力消費を削減することができる。なお、停止制御においては上記制御Ｂを終始行うことも可能なので、この場合Ｑｃｍａｘをゼロにすることも可能である。

　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。

　本願は、２０１５年１２月１５日に日本国特許庁に出願された特願２０１５－２４４３３６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

　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、
　前記燃料電池に接続した負荷と、
　前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部と、
　前記燃料電池の通常運転中において、前記負荷に基づいて前記カソードガスの流量を制御する通常発電制御部と、
　前記燃料電池の停止制御において、停止後の目標温度に基づいて前記カソードガスの流量を制御する停止制御部と、を備える
　燃料電池システム。
　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、
　前記燃料電池に接続した負荷と、
　前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部と、
　前記燃料電池の停止制御において、前記燃料電池の発熱よりも前記カソードガスによる前記燃料電池からの放熱が多くなるように前記カソードガスの流量を制御する停止制御部と、を備える
　燃料電池システム。
　請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
　前記燃料電池の前記目標温度は、停止後の経過時間に応じて低くなる
　燃料電池システム。
　請求項１または３に記載の燃料電池システムにおいて、
　前記停止制御部は、
　前記カソードガスの流量を、前記目標温度と前記燃料電池の実温度との差分に基づいて
制御する
　燃料電池システム。
　請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
　前記停止制御部は、
　前記実温度から前記目標温度を引いた差分が大きいほど前記カソードガスの流量を大きくする
　燃料電池システム。
　請求項１乃至５のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
　前記負荷はバッテリであり、
　前記停止制御部は、
　前記バッテリの充電量に基づいて前記燃料電池の発電量を制御する
　燃料電池システム。
　請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
　前記停止制御部は、
　前記バッテリの充電量を、前記燃料電池の発電の停止後に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のに必要な電力量に基づいて設定する
　燃料電池システム。
　請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
　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電圧印加回路を備え、
　前記停止制御部は、
　前記燃料電池の温度が第１の所定温度以上である間は、前記燃料電池の発電を継続し、
前記第１の所定温度より低くなったら前記燃料電池の発電を停止して、前記電圧印加回路を駆動する制御を行う
　燃料電池システム。
　請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
　前記停止制御部は、
　前記燃料電池の温度が前記第１の所定温度よりも低く、かつ前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度以上である場合は前記電圧印加回路の駆動を継続し、前記第２の所定温度よりも低くなったら前記電圧印加回路の駆動を停止する
　燃料電池システム。
　請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
　前記停止制御部は、
　前記第１の所定温度を前記燃料電池が発電可能な下限の温度となる発電可能温度に設定可能とされ、前記第２の所定温度を前記燃料電池のアノードの劣化を回避できる上限の温度となる劣化反応温度に設定可能とする
　燃料電池システム。
　固体酸化物型の燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
　前記燃料電池の通常運転中において、前記燃料電池に接続する負荷に基づいてカソードガスの流量を制御し、
　前記燃料電池の停止制御において、停止後の目標温度に基づいて前記カソードガスの流量を制御する
　燃料電池システムの制御方法。
　固体酸化物型の燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
　前記燃料電池の停止制御において、前記燃料電池の発熱よりも前記燃料電池に供給するカソードガスによる前記燃料電池からの放熱が多くなるように前記カソードガスの流量を制御する
　燃料電池システムの制御方法。