特開 2022-91965 発電装置、制御装置及び制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022091965

(43)【公開日】2022-06-21

(54)【発明の名称】発電装置、制御装置及び制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04228 20160101AFI20220614BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20220614BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20220614BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20220614BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20220614BHJP

   H01M 8/04694 20160101ALI20220614BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20220614BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20220614BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04228

H01M8/04303

H01M8/04746

H01M8/0432

H01M8/04701

H01M8/04694

H01M8/04014

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

H01M8/12 102B

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022063159

(22)【出願日】2022-04-05

(62)【分割の表示】P 2017248307の分割

【原出願日】2017-12-25

(71)【出願人】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000109026

【氏名又は名称】ダイニチ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100075557

【弁理士】

【氏名又は名称】西教 圭一郎

(72)【発明者】

【氏名】山内 亨祐

(57)【要約】

【課題】 発電運転を停止する際の燃料電池の耐久性が低下することを抑制することが可能な発電装置などを提供する。
【解決手段】 本開示に係る発電装置は、燃料電池と、燃料電池に供給される空気の単位時間当たりの供給量を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、燃料電池の発電運転を停止するための停止工程において、空気の単位時間当たりの供給量を増加させるように制御し、停止工程の開始時における空気の単位時間当たりの供給量を基準として、空気の単位時間当たりの供給量を基準から増加させるように制御し、空気の単位時間当たりの供給量を、所定量増加させた後、所定時間維持する制御を複数回行うように制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池と、
前記燃料電池に供給される空気の単位時間当たりの供給量を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池の発電運転を停止するための停止工程において、前記空気の単位時間当たりの供給量を増加させるように制御し、
前記停止工程の開始時における前記空気の単位時間当たりの供給量を基準として、前記空気の単位時間当たりの供給量を前記基準から増加させるように制御し、
前記空気の単位時間当たりの供給量を、所定量増加させた後、所定時間維持する制御を複数回行うように制御する、発電装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記燃料電池の温度が予め決められた第一温度以下となった場合に前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止させた後であって、前記燃料電池の温度が予め決められた前記第一温度より低温の第二温度以下となった場合、かつ前記燃料電池の温度変化に依存せずに予め決められた時間が経過した場合に、前記燃料電池への前記空気の供給を停止させる請求項１に記載の発電装置。

【請求項3】

前記燃料電池から排出される排ガスと熱媒体とで熱交換するための熱交換器と、
前記熱媒体を循環させる循環流路と、
該循環流路における、前記熱媒体を循環させるポンプ及び前記熱媒体を冷却する放熱器のうち少なくとも一方、をさらに備え、
前記制御装置は、前記停止工程の開始時に、前記放熱器及び前記ポンプのうち少なくとも一方の出力を増大させるように制御する請求項１または２に記載の発電装置。

【請求項4】

燃料電池を備える一乃至複数の発電装置を制御する制御装置であって、
前記燃料電池の発電運転を停止するための停止工程において、前記燃料電池に供給される空気の単位時間当たりの供給量を増加させるように制御し、
前記停止工程の開始時における前記空気の単位時間当たりの供給量を基準として、前記空気の単位時間当たりの供給量を前記基準から増加させるように制御し、
前記空気の単位時間当たりの供給量を、所定量増加させた後、所定時間維持する制御を複数回行うように制御する、制御装置。

【請求項5】

燃料電池を備える一乃至複数の発電装置を制御する制御装置に、
前記燃料電池の発電運転を停止するための停止工程において、前記燃料電池に供給される空気の単位時間当たりの供給量を増加させるように制御し、
前記停止工程の開始時における前記空気の単位時間当たりの供給量を基準として、前記空気の単位時間当たりの供給量を前記基準から増加させるように制御し、
前記空気の単位時間当たりの供給量を、所定量増加させた後、所定時間維持する制御を複数回行うように制御する、制御ステップを実行させる、制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電装置、制御装置及び制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（通常は空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池を用いた発電装置の開発が進められている。この発電装置においては、発電に伴って発生した排熱を熱交換器で回収し、この熱交換器で得られた温水を蓄熱タンクに蓄積し、温水需要に対する供給を行っている。

【0003】

ところで、上記発電装置の運転を停止する際は、燃料電池を室温まで冷却する必要がある。燃料電池を冷却する方法としては、空気を燃料電池に供給して冷却する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５－３４００７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記特許文献１においては、空気供給に関する具体的な流量等が開示されておらず、運転停止時に、燃料電池の耐久性が低下するおそれがあった。

【0006】

本開示の目的は、発電運転を停止する際の燃料電池の耐久性の低下を抑制することが可能な発電装置、制御装置及び制御プログラムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の発電装置は、燃料電池と、前記燃料電池に供給される空気の単位時間当たりの供給量を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の発電運転を停止するための停止工程において、前記空気の単位時間当たりの供給量を増加させるように制御し、前記停止工程の開始時における前記空気の単位時間当たりの供給量を基準として、前記空気の単位時間当たりの供給量を前記基準から増加させるように制御し、前記空気の単位時間当たりの供給量を、所定量増加させた後、所定時間維持する制御を複数回行うように制御する、発電装置である。

【0008】

また本開示の制御装置は、燃料電池を備える上記発電装置を制御する制御装置であって、前記燃料電池の発電運転を停止するための停止工程において、前記燃料電池に供給される空気の単位時間当たりの供給量を増加させるように制御し、前記停止工程の開始時における前記空気の単位時間当たりの供給量を基準として、前記空気の単位時間当たりの供給量を前記基準から増加させるように制御し、前記空気の単位時間当たりの供給量を、所定量増加させた後、所定時間維持する制御を複数回行うように制御する、制御装置である。

【0009】

また本開示の制御プログラムは、燃料電池を備える上記発電装置を制御する制御装置に、前記燃料電池の発電運転を停止するための停止工程において、前記燃料電池に供給される空気の単位時間当たりの供給量を増加させるように制御し、前記停止工程の開始時における前記空気の単位時間当たりの供給量を基準として、前記空気の単位時間当たりの供給量を前記基準から増加させるように制御し、前記空気の単位時間当たりの供給量を、所定量増加させた後、所定時間維持する制御を複数回行うように制御する、制御ステップを実行させる、制御プログラムである。

【発明の効果】

【0010】

本開示に係る発電装置、制御装置又は制御プログラムによれば、発電運転を停止する際の燃料電池の耐久性の低下を抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示の実施形態に係る燃料電池装置の一例の構成を示す概略図である。

【図2】本開示の実施形態に係る燃料電池装置におけるセルスタック装置の外観を示す斜視図である。

【図3】本開示の実施形態に係る燃料電池装置のシステム遷移図の一例である。

【図4】第１実施形態に係る燃料電池装置の停止工程における主制御を示すフローチャートである。

【図5】第１実施形態に係る燃料電池装置の停止工程における空気流量制御を示すフローチャートである。

【図6】第２実施形態に係る燃料電池装置の停止工程における主制御を示すフローチャートである。

【図7】第２実施形態に係る燃料電池装置の停止工程における空気流量制御を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示に係る燃料電池装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下で参照する各図には、本開示に係る燃料電池装置の構成部材のうち、本燃料電池装置の特徴を説明するための主な構成部材を示している。したがって、本燃料電池装置は、各図に示されていない周知の構成部材を備えていてもよい。

【0013】

（第１実施形態）
図１は、本開示の実施形態に係る燃料電池装置の構成例の概略を示すブロック図である。燃料電池装置１００は、燃料電池の耐久性が低下することを抑制し得る装置であり、主にセルスタック装置１を具備する燃料電池モジュール２０、原燃料供給用ポンプ（以下、単に「ガスポンプ」という。）２ａ、改質水供給用ポンプ（以下、単に「改質水ポンプ」という。）３ａ、空気ブロア１１ａ、熱交換器３０、循環ポンプ３１ａ、蓄熱タンク４０、ラジエータ５０、ラジエータファン６０、内部温度センサ７１、熱媒低温度センサ７２、熱媒高温度センサ７３、制御装置８０及び記憶装置９０を備える。なお、燃料電池装置１００は、発電装置の一例である。

【0014】

ここで、熱交換器３０、蓄熱タンク４０、ラジエータ５０及び循環ポンプ３１ａは、循環配管３１によって接続されており、循環配管３１の内部には熱媒体（例えば、水）が流過される。

【0015】

燃料電池装置１００は、以下にさらに詳細に述べられるように、種々の機能を実行するための制御及び処理能力を提供するために、少なくとも１つのプロセッサを含む制御装置８０を備える。種々の実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサは、単一の集積回路として、又は複数の通信可能に接続された集積回路及び／若しくはディスクリート回路として実行されてもよい。少なくとも１つのプロセッサは、種々の既知の技術に従って実行されることが可能である。１つの実施形態において、プロセッサは、例えば、関連するメモリに記憶された指示を実行することによって１以上のデータ計算手続又は処理を実行するように構成された１以上の回路又はユニットを含む。他の実施形態において、プロセッサは、１以上のデータ計算手続き又は処理を実行するように構成されたファームウェア（例えば、ディスクリートロジックコンポーネント）であってもよい。種々の実施形態によれば、プロセッサは、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、デジタル信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又はこれらのデバイス若しくは構成の任意の組み合わせ、又は他の既知のデバイス及び構成の組み合わせを含み、以下に説明される機能を実行してもよい。

【0016】

制御装置８０は、記憶装置９０と、燃料電池モジュール２０と、ガスポンプ２ａと、改質水ポンプ３ａと、空気ブロア１１ａと、内部温度センサ７１と、循環ポンプ３１ａと、ラジエータファン６０と、熱媒低温度センサ７２と、熱媒高温度センサ７３とに接続され、これらの各機能部をはじめとして燃料電池装置１００の全体を制御及び管理する。制御装置８０は、記憶装置９０に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置１００の各部に係る種々の機能を実現する。制御装置８０から他の機能部に制御信号又は各種の情報などを送信する場合、制御装置８０と他の機能部とは、有線又は無線により接続されていればよい。制御装置８０が行う本実施形態に特徴的な制御については、さらに後述する。また、本実施形態において、制御装置８０は、特に後述する空気ブロア１１ａ、ガスポンプ２ａ及び改質水ポンプ３ａの動作を制御する。なお、本実施形態において、制御装置８０は、所定の時間を計測することができるため、空気の単位時間当たりの供給量（以下、「空気流量」ともいう。）等を算出することもできる。

【0017】

記憶装置９０は、プログラム及びデータを記憶できる。記憶装置９０は、処理結果を一時的に記憶する作業領域としても利用してもよい。記憶装置９０は、記録媒体を含む。記録媒体は、半導体記憶媒体、及び磁気記憶媒体等の任意の非一過的（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）な記憶媒体を含んでよい。記憶装置９０は、複数の種類の記憶媒体を含んでよい。記憶装置９０は、メモリカード、光ディスク、又は光磁気ディスク等の可搬の記憶媒体と、記憶媒体の読み取り装置との組合せを含んでよい。記憶装置９０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の一時的な記憶領域として利用される記憶デバイスを含んでよい。

【0018】

セルスタック装置１は、改質器４を備えていてもよく、改質器４等から供給される改質された燃料ガスと、空気ブロア１１ａによって供給される酸素含有ガス（通常は、空気）とを用いて発電を行う燃料電池（セルスタック８を構成する各燃料電池セル７）を備える。改質器４は、ガスポンプ２ａから供給される原燃料ガスと、改質水ポンプ３ａから供給される改質水とを用いた改質反応によって、水素を含む燃料ガスを生成する。

【0019】

内部温度センサ７１はセルスタック８の中央付近の温度（以下、「スタック温度」ともいう。）を検出するための温度センサであり、熱媒低温度センサ７２は、熱交換器３０に流入する熱媒体の温度を検出するための温度センサであり、熱媒高温度センサ７３は、熱交換器３０から流出する熱媒体の温度を検出するための温度センサである。なお、各温度センサによる温度の検出は、予め決められたタイミングで（例えば、１秒間隔毎に）実施し、後述する「降温」の判定は、複数回検出された温度に基づいて判定する。

【0020】

熱交換器３０は、上記の発電時に生じる排熱を利用して熱媒体を加熱する。加熱された熱媒体は蓄熱タンク４０に供給される。

【0021】

より詳細には、熱交換器３０は、燃料電池モジュール２０において生じた排ガスと、この排ガスよりも低温の熱媒体との間で熱交換を行い、この熱交換によって加熱された熱媒体は、循環配管３１を介して蓄熱タンク４０の上部に供給される。さらに、熱交換器３０には、ラジエータ５０及び循環ポンプ３１ａを介して、蓄熱タンク４０の下部付近の低温の熱媒体が供給される。ここで、熱交換器３０に流入する熱媒体の温度（以下、「熱媒低温度」ともいう。）を検出するための熱媒低温度センサ７２と、熱交換器３０から流出する熱媒体の温度（以下、「熱媒高温度」ともいう。）を検出するための熱媒高温度センサ７３が、それぞれ配設されている。なお、循環配管３１は、循環流路の一例である。

【0022】

蓄熱タンク４０は、熱交換器３０において加熱された熱媒体の供給を受け、これを蓄積するタンクであり、その内部に温度成層を形成することができる。

【0023】

ラジエータ５０は、ラジエータファン６０によって生じた送風によって熱媒体を空冷するための冷却ユニットである。循環ポンプ３１ａは、ラジエータ５０を経由して供給された熱媒体を熱交換器３０に送出するポンプであり、例えばうず巻きポンプである。

【0024】

ここで、ラジエータファン６０の回転数、及び循環ポンプ３１ａにおける単位時間当たりの熱媒体の送出量（以下、「熱媒流量」ともいう。）は、制御装置８０によって制御される。ラジエータファン６０の回転数及び循環ポンプ３１ａにおける熱媒流量の制御は、それぞれの制御信号のデューティ比を変えることによって行ってもよい。なお、ラジエータ５０及びラジエータファン６０は放熱器の一例であり、循環ポンプ３１ａはポンプの一例である。

【0025】

そして、熱交換器３０内で温度が低下した排ガスに含まれる水分は、配管３４を介して改質水タンク３５に蓄積され、制御装置８０が制御する改質水ポンプ３ａによって改質器４に供給される。

【0026】

ところで、運転停止直後の高温状態にある燃料電池に大流量で空気が供給された場合は、燃料電池セルの電極等に生じる酸化により、又は燃料電池セルが冷却されることにより、燃料電池セルが体積膨張又は収縮することとなる。これにより、燃料電池セルにクラックが発生し、燃料電池の耐久性が低下するおそれがあった。

【0027】

そこで、制御装置８０は、燃料電池装置１００の発電運転を停止するための停止工程において、空気ブロア１１ａを制御することにより、燃料電池モジュール２０内へ供給する空気の流量を徐々に増加させるように制御する。

【0028】

より具体的には、停止工程における初期設定として、空気ブロア１１ａ、ガスポンプ２ａ及び改質水ポンプ３ａについて、予め決めた流量をそれぞれ設定し、設定した各流量でそれぞれの装置を作動させる。特に、空気ブロア１１ａについては、燃料電池モジュール２０内に供給する空気の流量を徐々に増加させるように制御する。この制御により、停止工程の開始時（すなわち、発電工程から停止工程に遷移した直後）の高温状態にある燃料電池モジュール２０に、空気を徐々に増加するように供給することができる。これにより、燃料電池セル７の急激な体積膨張又は収縮を抑制できるため、燃料電池セル７にクラックが発生し、燃料電池の耐久性が低下することを抑制できる。

【0029】

制御装置８０は、停止工程の開始時、言い換えれば発電工程の終了時における単位時間当たりの空気流量を基準として、燃料電池モジュール２０内への単位時間当たりの空気流量を、上記の基準から徐々に増加させるように制御してもよい。この制御により、停止工程の開始時における燃料電池モジュール２０内への空気流量の急増に伴って生ずる、燃料電池セル７の急激な体積膨張又は収縮を抑制できるため、燃料電池セル７にクラックが発生し、燃料電池の耐久性が低下することを抑制できる。

【0030】

制御装置８０は、燃料電池セル７に供給する空気流量を所定量増加させた後、所定時間維持する制御を複数回行うように制御してもよい。この制御により、所定時間維持する間に空気流量を安定させて、停止工程における空気ブロア１１ａの空気流量の制御の確実性を高めることが可能になる。

【0031】

制御装置８０は、スタック温度が予め決めた第一温度以下になった場合は、空気ブロア１１ａより先に、ガスポンプ２ａ及び改質水ポンプ３ａを停止させるように制御してもよい。この場合、制御装置８０は、スタック温度が予め決められた第一温度以下に降温したことによって原燃料ガスの供給を停止させた後であって、スタック温度が第一温度より低温の第二温度以下となり、かつ、燃料電池の温度変化に依存せずに予め決められた時間が経過した場合に、燃料電池モジュール２０内への空気の供給を停止させるように制御してもよい。この制御により、原燃料ガスの供給が停止した後であって、スタック温度が比較的早期に降温して第二温度以下となった場合であっても、燃料電池の温度変化に依存せずに予め決められた時間が経過するまでは、空気の供給を停止しないため、燃料ガスのパージが不完全な状態で空気の供給が停止してしまうことを抑制することができる。

【0032】

ところで、燃料電池装置１００の停止工程の開始後に燃料電池モジュール２０内への空気の流入量を増大させることに起因して、燃料電池モジュール２０内の比較的高温の排ガスの流出量が増大する。これにより、燃料電池モジュール２０の下流に位置する熱交換器３０の温度が瞬時に上昇する場合があり、熱交換器３０内で排ガスと熱交換された熱媒体が突沸する場合がある。

【0033】

そこで、制御装置８０は、前記停止工程の開始時に、循環ポンプ３１ａ又はラジエータファン６０のうち少なくとも一方の出力を増大させるように制御してもよい。この制御により、循環ポンプ３１ａの出力を増大させて循環配管３１内を流過する熱媒体の流量を増加させることによって熱媒体の温度上昇を抑制し、又はラジエータファン６０の回転数を増大させることによって熱媒体を冷却し、その温度上昇を抑制するので、結果として、熱媒体の突沸を抑制することが可能となる。

【0034】

図２は、本開示の実施形態に係る燃料電池装置におけるセルスタック装置の外観を示す斜視図である。セルスタック装置１は、原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器４と、燃料電池セル７を複数個配列して電気的に接続してなるセルスタック８と、燃料電池セル７に燃料ガスを供給するためのマニホールド６とを備える。

【0035】

改質器４は、例えば、炭化水素ガスである天然ガス、メタノール、灯油などの原燃料ガスと水蒸気とにより改質反応させて水素ガスを含む燃料ガスを生成する。改質反応では、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水素と、残存成分であるメタン及び水蒸気とを含んだ燃料ガスが得られる。なお、改質器４における改質法は、上述する水蒸気改質法に限られず、部分酸化法や、自己熱改質法であってもよい。

【0036】

改質反応には改質触媒が用いられ、改質効率や耐久性に優れた改質触媒を用いることが好ましく、例えば、γ－アルミナ、α－アルミナ及びコージェライトなどの多孔質担体のいずれか一種に、Ｒｕ、Ｐｔなどの貴金属やＮｉ、Ｆｅなどの卑金属を担持させた改質触媒を用いることができる。

【0037】

改質器４には、原燃料ガスを内部に供給するための原燃料ガス供給管２と、改質水を内部に供給するための改質水供給管３とが設けられ、燃料電池セル７（セルスタック８）の上方に所定の間隔をあけて配置される。改質反応によって発生した燃料ガスは、改質器４から燃料ガス供給管５を通ってマニホールド６へと供給される。

【0038】

セルスタック８は、内部にガス流路を有する燃料電池セル７を複数個立設させた状態で、燃料電池セル７間に集電部材９を介して電気的に直列に接続して構成される。

【0039】

マニホールド６は、セルスタック８を構成する燃料電池セル７の下端を固定するとともに、各燃料電池セル７に、改質器４で生成された燃料ガスを供給する。

【0040】

セルスタック８の両端部側には、燃料電池セル７の発電により生じた電流を収集して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する集電部材９が配置されている。

【0041】

また、燃料電池セル７の上方で、燃料電池セル７と改質器４との間の燃焼領域１０では、燃料電池セル７で使用されなかった燃料ガス及び酸素含有ガスを含む排ガスが燃焼される。燃焼領域１０には、着火装置１１が設けられていてもよい。

【0042】

燃料電池セル７としては、内部を燃料ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層及び酸素側電極層を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セルであってもよい。

【0043】

なお、燃料電池セル７は、上記以外に例えば円筒状、平板状の燃料電池セルを用いることもでき、また支持体の表面に酸素側電極層、固体電解質層及び燃料側電極層を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セルとすることもできる。

【0044】

図３は、本実施形態に係る燃料電池装置のシステム遷移図の一例であり、燃料電池装置１００によって発電を行う場合の制御装置８０の制御手順を示している。

【0045】

制御装置８０は、オペレータからシステム起動の指示を受け付けると、システムチェッ
クを実行する（Ｓ１）。システムチェックとしては、漏電の有無、各種センサ、各種ポンプ及びバッテリ等について異常の有無などを確認し、この確認結果を、表示装置等を介してオペレータに通知する。その後、制御装置８０は、発電開始の指示を受け付けるまで、燃料電池装置１００を停止（待機）状態で保持する（Ｓ２）。

【0046】

その後、発電開始の指示を受け付けると、制御装置８０は、起動工程に移行する（Ｓ３）。起動工程では、空気ブロア１１ａを起動して燃焼領域１０付近に空気を供給した後、改質水ポンプ３ａを作動させることにより、改質水が供給される改質水供給管３に改質水を充填する。その後、着火装置（図示せず）を起動し、原燃料ガスを供給する。

【0047】

着火が成功すると、昇温工程（Ｓ４）に移行する。昇温工程では、一定の温度になるまで改質器４を暖機する。

【0048】

さらに、発電工程（Ｓ５）では、燃料電池装置１００を用いた発電が実施される。その後、オペレータから「停止」の指示を受け付けると、制御装置８０は、停止工程（Ｓ６）に移行する。停止工程では、燃料電池モジュール２０内の温度が所定温度以下となった場合に、燃料電池モジュール２０への原燃料ガスの供給を停止して、燃料電池モジュール２０内の温度を徐々に下げるように制御装置８０が制御する。

【0049】

次に、燃料電池装置の停止工程における制御について具体的に説明する。

【0050】

図４は、本実施形態に係る燃料電池装置の停止工程における主制御を示すフローチャートである。図４に示す主制御では、主に、スタック温度に基づいてガスポンプ２ａ、改質水ポンプ３ａ及び空気ブロア１１ａの稼働と停止とを制御する。なお、停止工程では、図４の主制御と並行して、後述の図５に示す空気ブロア１１ａについての空気流量制御も実行される。ここで、上記の主制御と空気流量制御を別々のプロセッサ等で制御してもよいし、１個のプロセッサ等によって時分割で制御してもよい。

【0051】

制御装置８０は、発電工程から停止工程への移行時に、初期設定として、ガスポンプ２ａ、改質水ポンプ３ａ及び空気ブロア１１ａの各流量について設定を行い、設定した各流量でそれぞれを作動させる（Ｓ１０）。例えば、ガスポンプ２ａについては、０．３［ＮＬ／ｍｉｎ］を、改質水ポンプ３ａについては、Ｓ／Ｃ＝２．５を、それぞれ停止工程の開始時の流量として設定する。また、空気ブロア１１ａについては、例えば、発電工程の終了時における空気流量を、停止工程の開始時の基準流量として設定する。ここで、「Ｓ／Ｃ」とは、スチームカーボン比であり、原燃料ガスに含まれる炭素と改質反応の際に添加する水蒸気とのモル比を表わす数値である。

【0052】

ガスポンプ２ａ、改質水ポンプ３ａ及び空気ブロア１１ａの各流量が設定されると、空気流量制御を起動する（Ｓ１１）。空気流量制御では、供給する空気の流量を徐々に増加させるよう空気ブロア１１ａの動作が制御される。この制御については、後で詳細に説明する。

【0053】

発電が停止すると、空気ブロア１１ａから供給される空気によって燃料電池セル７は冷却される。このとき、空気の流量は徐々に増加するように制御されているため、燃料電池セル７の酸化や、燃料電池セル７の急激な温度低下が抑制される。これにより、燃料電池セル７の急激な体積膨張又は収縮を抑制できるため、燃料電池セル７にクラックが発生し、燃料電池の耐久性が低下することを抑制できる。

【0054】

そして、制御装置８０は、内部温度センサ７１で検出されたスタック温度が、予め決められた第一温度（Ｔ１：例えば３００℃）以下に降温したかを判断する（Ｓ１２）。第一温度以下に降温した場合に（Ｓ１２でＹｅｓ）、ガスポンプ２ａを停止させると共に、この停止以降の時間の計時を開始する（Ｓ１３）。この後、制御装置８０は、改質水ポンプ３ａを停止させるように制御する。（Ｓ１４）。なお、ここではガスポンプ２ａを停止させた後で改質水ポンプ３ａを停止させているが、ガスポンプ２ａと改質水ポンプ３ａは同時に停止させてもよい。

【0055】

燃料電池セル７は、高温条件の下では酸化されやすい。そのため、スタック温度が高い場合には空気とともに燃料ガスと水を供給することで、燃料電池セル７の酸化が抑制される。そして、スタック温度が降温し、燃料電池セル７が酸化されにくい温度より低くなった場合、つまり第一温度以下に降温した場合に、燃料ガスと水の供給を停止して空気のみを供給する。これにより、燃料電池セル７の冷却が継続して行われる。

【0056】

さらに、制御装置８０は、スタック温度が予め決められた、上記第一温度より低温の第二温度（Ｔ２：例えば１００℃）以下に降温し、かつ、スタック温度の変化に依存せずに予め決められた所定時間（例えば、６０秒）が経過した場合に（Ｓ１５でＹｅｓ）、空気ブロア１１ａを制御して空気の供給を停止させる（Ｓ１６）。ここでの所定時間とは、燃料ガスの供給を停止してから、燃料ガスを完全にパージするのに必要とされる時間である。これにより、スタック温度が比較的早期に降温して第二温度以下となった場合であっても、燃料ガスのパージが不完全な状態で空気の供給が停止してしまうことを抑制することができる。この際、例えば、主制御から後述の空気流量制御に、空気ブロア１１ａについて「停止指示」を通知することとしてもよい。

【0057】

図５は、本実施形態に係る燃料電池装置の停止工程における空気流量制御を示すフローチャートである。図５に示す空気流量制御では、所定の時間経過に基づいて空気ブロア１１ａの空気流量を制御する。

【0058】

空気流量制御の開始時、空気ブロア１１ａの基準空気流量には、発電工程の終了時における空気量が設定されている。

【0059】

そして、制御装置８０は、予め決められた所定時間（例えば３０秒）が経過したかを判断する（Ｓ２０）。所定時間が経過した場合に（Ｓ２０でＹｅｓ）、空気流量を予め決められた所定量（例えば、４［ＮＬ／ｍｉｎ］）増加させるように制御する（Ｓ２１）。この後、制御装置８０は、空気流量が上限値であるかを判断し（Ｓ２２）、空気流量が上限でない場合は、上記の制御を繰り返す（Ｓ２０～Ｓ２２）。

【0060】

さらに、制御装置８０は、空気流量が上限値になった場合は（Ｓ２２でＹｅｓ）、空気ブロア１１ａの空気流量を上限値に保持するように制御する（Ｓ２３）。なお、制御装置８０は、主制御から「停止指示」の通知等を受信した場合は、空気ブロア１１ａを停止させるように制御する。

【0061】

（第２実施形態）
本実施形態では、制御装置８０の他の制御形態について説明する。図６は、本実施形態に係る燃料電池装置の停止工程における主制御を示すフローチャートであり、図７は、空気流量制御を示すフローチャートである。本実施形態は、主制御が、空気ブロア１１ａの動作を間接的に制御している点で第１実施形態と異なる。また本実施形態では、１個のプロセッサを用いた時分割の制御によって、「主制御のタスク」と「空気流量制御のタスク」を実行することとする。なお、上述の第１実施形態の図４におけるステップＳ１２～Ｓ１５と図６におけるステップＳ３１～Ｓ３４とは同一の制御内容である。また、上述の図５におけるステップＳ２０～Ｓ２３と図７におけるステップＳ４２～Ｓ４５は、同じ目的のための制御内容である。

【0062】

図６において、制御装置８０は、発電工程から停止工程への移行時に、初期設定として、ガスポンプ２ａ及び改質水ポンプ３ａの各流量についての初期設定を行うとともに、空気流量制御を起動する（Ｓ３０）。

【0063】

さらに、制御装置８０は、スタック温度がＴ１以下に降温して（Ｓ３１でＹｅｓ）燃料ガス等の供給を停止させた後（Ｓ３２、Ｓ３３）、スタック温度がＴ２以下に降温し、かつ、上記所定時間が経過した場合に（Ｓ３４でＹｅｓ）、空気流量制御のタスクに空気ブロア１１ａを「停止」するように指示する（Ｓ３５）。

【0064】

図７において、制御装置８０は、空気ブロア１１ａの基準空気流量についての初期設定（Ｓ４０）の後、主制御のタスクから空気ブロア１１ａについて「停止」する旨の指示があるかを判断する（Ｓ４１）。「停止」の指示がない場合は（Ｓ４１でＮｏ）、空気流量が上限値になるまで（Ｓ４２でＮｏ）、空気ブロア１１ａの空気流量を所定時間毎に所定量ずつ増加するように制御する（Ｓ４３、Ｓ４４）。

【0065】

そして、主制御のタスクから「停止」の指示があった場合は（Ｓ４１でＹｅｓ）、空気ブロア１１ａを停止するように制御する（Ｓ４６）。

【0066】

なお、本開示に係る燃料電池装置は、上記のように燃料電池の耐久性が低下することを抑制し得るという効果を有するが、さらに、発電運転停止後の安全性を高めることができるという効果も有している。というのは、ガスポンプ２ａ及び改質水ポンプ３ａを停止後に、スタック温度が第二温度以下に降温し、かつ、予め決められた所定時間が経過するまで空気ブロア１１ａを作動させるので、確実な掃気が可能となるからである。

【0067】

また、上記実施形態に係る図１に示す燃料電池装置１００の制御装置８０及び記憶装置９０を燃料電池装置１００の外部に有する構成として実現することもできる。

【0068】

さらにまた、本開示に係る制御装置における特徴的な制御工程を含む制御方法として実現したり、上記工程をコンピュータに実行させるための制御プログラムとして実現したりすることも可能である。

【0069】

なお、セルスタック装置１は、ＳＯＦＣに限定されず、例えば固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell（ＰＥＦＣ））、リン酸形燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell（ＰＡＦＣ））、及び溶融炭酸塩形燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell（ＭＣＦＣ））などのような燃料電池で構成してもよい。また、セルスタック装置１は、改質器４と同じ筺体内に含まれなくてもよい。

【0070】

以上、実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、組合せ及び改良等が可能である。

【符号の説明】

【0071】

１ セルスタック装置
２ 原燃料ガス供給管
２ａ 原燃料供給用ポンプ（ガスポンプ）
３ 改質水供給管
３ａ 改質水供給用ポンプ（改質水ポンプ）
７ 燃料電池セル
８ セルスタック
１１ａ 空気ブロア
２０ 燃料電池モジュール
３０ 熱交換器
３１ａ 循環ポンプ
５０ ラジエータ
６０ ラジエータファン
７１ 内部温度センサ
７２ 熱媒低温度センサ
７３ 熱媒高温度センサ
８０ 制御装置
１００ 燃料電池装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】