(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】P2024123649
(43)【公開日】2024-09-12
(54)【発明の名称】燃料電池システム、及びその制御方法
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04746 20160101AFI20240905BHJP
H01M 8/04228 20160101ALI20240905BHJP
H01M 8/04303 20160101ALI20240905BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20240905BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20240905BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04746
H01M8/04228
H01M8/04303
H01M8/0432
H01M8/12 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023031247
(22)【出願日】2023-03-01
(71)【出願人】
【識別番号】000000284
【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001818
【氏名又は名称】弁理士法人Ｒ＆Ｃ
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 雅也
(72)【発明者】
【氏名】野田 航平
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126BB06
5H127AA07
5H127AC06
5H127BA02
5H127BA13
5H127BA18
5H127BA34
5H127BA37
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB19
5H127BB27
5H127BB37
5H127DA11
5H127DB46
5H127DB93
5H127DC12
5H127DC22
5H127DC24
5H127EE02
5H127EE03
5H127EE29
(57)【要約】
【課題】運転停止工程において空気と燃料ガスの圧力差による必要以上の力が燃料電池セルに加えられ燃料電池セルが破損することを防止できながらも、当該燃料電池セルを効果的に冷却でき、運転停止工程の時間短縮を図る。
【解決手段】燃料極７からの燃料排ガスを通流する燃料排ガス流出路３３に開度を調整可能な燃料排ガス用開度調整弁Ｖと、空気極８へ供給される空気の流量を調整可能な空気流量調整機構とを備え、制御装置Ｓは、発電を停止する発電停止工程において、燃料排ガス用開度調整弁Ｖの開度を現時点の直前の開度よりも閉じ側へ制御する第１開度低下制御を実行した時点以降に、空気流量調整機構により空気極８へ導かれる空気流量を増加する空気流量増加制御を実行する。
【選択図】図１
【解決手段】燃料極７からの燃料排ガスを通流する燃料排ガス流出路３３に開度を調整可能な燃料排ガス用開度調整弁Ｖと、空気極８へ供給される空気の流量を調整可能な空気流量調整機構とを備え、制御装置Ｓは、発電を停止する発電停止工程において、燃料排ガス用開度調整弁Ｖの開度を現時点の直前の開度よりも閉じ側へ制御する第１開度低下制御を実行した時点以降に、空気流量調整機構により空気極８へ導かれる空気流量を増加する空気流量増加制御を実行する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解質層の一方側の面に相対して燃料ガスが供給される燃料極を設け、他方側の面に相対して空気が供給される空気極を設けて構成される燃料電池セルと、運転を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料極からの燃料排ガスを通流する燃料排ガス流出路に開度を調整可能な燃料排ガス用開度調整弁と、
前記空気極へ供給される空気の流量を調整可能な空気流量調整機構とを備え、
前記制御装置は、発電を停止する発電停止工程において、前記燃料排ガス用開度調整弁の開度を現時点の直前の開度よりも閉じ側へ制御する第１開度低下制御を実行した時点以降に、前記空気流量調整機構により前記空気極へ導かれる空気流量を増加する空気流量増加制御を実行する燃料電池システム。
前記燃料極からの燃料排ガスを通流する燃料排ガス流出路に開度を調整可能な燃料排ガス用開度調整弁と、
前記空気極へ供給される空気の流量を調整可能な空気流量調整機構とを備え、
前記制御装置は、発電を停止する発電停止工程において、前記燃料排ガス用開度調整弁の開度を現時点の直前の開度よりも閉じ側へ制御する第１開度低下制御を実行した時点以降に、前記空気流量調整機構により前記空気極へ導かれる空気流量を増加する空気流量増加制御を実行する燃料電池システム。
【請求項2】
前記燃料極へ供給される燃料ガスの流量を調整可能な燃料ガス流量調整機構と、
前記燃料電池セルの雰囲気温度を計測可能な温度計測部とを備え、
前記制御装置は、前記発電停止工程において、前記温度計測部にて計測される温度が予め設定される放冷温度閾値未満となった場合、前記燃料排ガス用開度調整弁の開度を前記第１開度低下制御における開度よりも閉じ側へ制御する第２開度低下制御を実行した時点以降に、前記燃料ガス流量調整機構により前記燃料極へ供給される燃料ガスの流量を現状の流量よりも低下する燃料流量低下制御を実行する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池セルの雰囲気温度を計測可能な温度計測部とを備え、
前記制御装置は、前記発電停止工程において、前記温度計測部にて計測される温度が予め設定される放冷温度閾値未満となった場合、前記燃料排ガス用開度調整弁の開度を前記第１開度低下制御における開度よりも閉じ側へ制御する第２開度低下制御を実行した時点以降に、前記燃料ガス流量調整機構により前記燃料極へ供給される燃料ガスの流量を現状の流量よりも低下する燃料流量低下制御を実行する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項3】
前記電解質層の前記面に直交する方向視で、
前記燃料電池セルにおける空気の流れ方向での所定位置において、前記空気極の空気による空気圧と、前記燃料極の燃料ガスによる燃料ガス圧との圧力差であって、当該圧力差が最大となる前記面上の特定位置での最大圧力差を導出可能な圧力差導出機構を備え、
前記制御装置は、前記圧力差導出機構にて導出される前記最大圧力差が、予め定められた許容最大圧力差以下となるように、前記空気流量増加制御を実行する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池セルにおける空気の流れ方向での所定位置において、前記空気極の空気による空気圧と、前記燃料極の燃料ガスによる燃料ガス圧との圧力差であって、当該圧力差が最大となる前記面上の特定位置での最大圧力差を導出可能な圧力差導出機構を備え、
前記制御装置は、前記圧力差導出機構にて導出される前記最大圧力差が、予め定められた許容最大圧力差以下となるように、前記空気流量増加制御を実行する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記電解質層の前記面に直交する方向視で、
前記燃料電池セルにおける空気の流れ方向での所定位置において、前記空気極の空気による空気圧と、前記燃料極の燃料ガスによる燃料ガス圧との圧力差であって、当該圧力差が最大となる前記面上の特定位置での最大圧力差を導出可能な圧力差導出機構を備え、
前記制御装置は、前記圧力差導出機構にて導出される前記最大圧力差が、予め定められた許容最大圧力差以下となるように、前記空気流量増加制御及び前記燃料流量低下制御を実行する請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池セルにおける空気の流れ方向での所定位置において、前記空気極の空気による空気圧と、前記燃料極の燃料ガスによる燃料ガス圧との圧力差であって、当該圧力差が最大となる前記面上の特定位置での最大圧力差を導出可能な圧力差導出機構を備え、
前記制御装置は、前記圧力差導出機構にて導出される前記最大圧力差が、予め定められた許容最大圧力差以下となるように、前記空気流量増加制御及び前記燃料流量低下制御を実行する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
電解質層の一方側の面に相対して燃料ガスが供給される燃料極を設け、他方側の面に相対して空気が供給される空気極を設けて構成される燃料電池セルと、運転を制御する制御装置とを備えた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が、前記燃料極からの燃料排ガスを通流する燃料排ガス流出路に開度を調整可能な燃料排ガス用開度調整弁と、前記空気極へ供給される空気の流量を調整可能な空気流量調整機構とを備えた構成で、
発電を停止する発電停止工程において、前記燃料排ガス用開度調整弁の開度を現時点の直前の開度よりも閉じ側へ制御する第１開度低下制御を実行すると共に、前記空気流量調整機構により前記空気極へ導かれる空気流量を増加する空気流量増加制御を実行する、燃料電池システムの制御方法。
前記燃料電池システムが、前記燃料極からの燃料排ガスを通流する燃料排ガス流出路に開度を調整可能な燃料排ガス用開度調整弁と、前記空気極へ供給される空気の流量を調整可能な空気流量調整機構とを備えた構成で、
発電を停止する発電停止工程において、前記燃料排ガス用開度調整弁の開度を現時点の直前の開度よりも閉じ側へ制御する第１開度低下制御を実行すると共に、前記空気流量調整機構により前記空気極へ導かれる空気流量を増加する空気流量増加制御を実行する、燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電解質膜の一方側の面に相対して燃料ガスが供給される燃料極を設け、他方側の面に相対して空気が供給される空気極を設けて構成される燃料電池セルと、運転を制御する制御装置とを備えた燃料電池システム、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、特許文献１、２に示されているように、固体酸化物形燃料電池等の高温作動型の燃料電池システムは、運転停止工程の降温過程に時間がかかるという課題がある。
ただし、運転停止工程の降温過程では、例えば、特許文献１に示されるように、燃料電池セルの燃料極が酸化しないように、最低限の燃料（あるいはパージガス）を供給し続ける必要があるため、経済的な観点からできるだけ停止時間を短くできることが望ましい。
ただし、運転停止工程の降温過程では、例えば、特許文献１に示されるように、燃料電池セルの燃料極が酸化しないように、最低限の燃料（あるいはパージガス）を供給し続ける必要があるため、経済的な観点からできるだけ停止時間を短くできることが望ましい。
【0003】
そこで、例えば、特許文献２に開示の技術では、運転停止工程を短縮する方法として、運転停止工程中に、燃料を間欠的に供給する制御が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００６－２９４５０８号公報
【特許文献2】特開２０１３－１８６９４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
このように燃料を間欠的に供給する制御では、スタック周囲の温度を早期に下げることができるが、セルスタックの内部まで冷却するには時間がかかるという問題がある。また、セルスタック内外の温度差がつきやすくなることで、セルスタックに熱応力が生じる懸念もある。さらに、燃料を供給しない時間帯が存在することで、燃料電池セルが酸化するリスクも上がる。
一方、セルスタックの内部を効果的に冷却する方法としては、燃料電池に供給する空気量を増やすことが考えられる。
しかし、平板型の燃料電池のように、空気が導かれる空気室（及び燃料ガスが導かれる燃料室）が閉じられている構成においては、空気量を増やすことで空気室の圧力が上昇する。それにより、空気室と燃料室で圧力差が生じ、その間にある燃料電池セルに圧力差に起因する力がかかる。当該圧力差に起因する力が大きくなり過ぎると、燃料電池セルが破損する虞があるため、空気室（空気極）に供給可能な空気量は一定未満に制限されるため、十分な冷却効果が得られない場合があり、改善の余地があった。
一方、セルスタックの内部を効果的に冷却する方法としては、燃料電池に供給する空気量を増やすことが考えられる。
しかし、平板型の燃料電池のように、空気が導かれる空気室（及び燃料ガスが導かれる燃料室）が閉じられている構成においては、空気量を増やすことで空気室の圧力が上昇する。それにより、空気室と燃料室で圧力差が生じ、その間にある燃料電池セルに圧力差に起因する力がかかる。当該圧力差に起因する力が大きくなり過ぎると、燃料電池セルが破損する虞があるため、空気室（空気極）に供給可能な空気量は一定未満に制限されるため、十分な冷却効果が得られない場合があり、改善の余地があった。
【0006】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、運転停止工程において空気と燃料ガスの圧力差による必要以上の力が燃料電池セルに加えられ燃料電池セルが破損することを防止できながらも、当該燃料電池セルを効果的に冷却でき、運転停止工程の時間短縮を図ることができる燃料電池システム、及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するための燃料電池システムは、
電解質層の一方側の面に相対して燃料ガスが供給される燃料極を設け、他方側の面に相対して空気が供給される空気極を設けて構成される燃料電池セルと、運転を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムであって、その特徴構成は、
前記燃料極からの燃料排ガスを通流する燃料排ガス流出路に開度を調整可能な燃料排ガス用開度調整弁と、
前記空気極へ供給される空気の流量を調整可能な空気流量調整機構とを備え、
前記制御装置は、発電を停止する発電停止工程において、前記燃料排ガス用開度調整弁の開度を現時点の直前の開度よりも閉じ側へ制御する第１開度低下制御を実行した時点以降に、前記空気流量調整機構により前記空気極へ導かれる空気流量を増加する空気流量増加制御を実行する点にある。
電解質層の一方側の面に相対して燃料ガスが供給される燃料極を設け、他方側の面に相対して空気が供給される空気極を設けて構成される燃料電池セルと、運転を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムであって、その特徴構成は、
前記燃料極からの燃料排ガスを通流する燃料排ガス流出路に開度を調整可能な燃料排ガス用開度調整弁と、
前記空気極へ供給される空気の流量を調整可能な空気流量調整機構とを備え、
前記制御装置は、発電を停止する発電停止工程において、前記燃料排ガス用開度調整弁の開度を現時点の直前の開度よりも閉じ側へ制御する第１開度低下制御を実行した時点以降に、前記空気流量調整機構により前記空気極へ導かれる空気流量を増加する空気流量増加制御を実行する点にある。
【0008】
上記目的を達成するための燃料電池システムの制御方法は、
電解質層の一方側の面に相対して燃料ガスが供給される燃料極を設け、他方側の面に相対して空気が供給される空気極を設けて構成される燃料電池セルと、運転を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムの制御方法であって、その特徴構成は、
前記燃料電池システムが、前記燃料極からの燃料排ガスを通流する燃料排ガス流出路に開度を調整可能な燃料排ガス用開度調整弁と、前記空気極へ供給される空気の流量を調整可能な空気流量調整機構とを備えた構成で、
前記制御装置が、発電を停止する発電停止工程において、前記燃料排ガス用開度調整弁の開度を現時点の直前の開度よりも閉じ側へ制御する第１開度低下制御を実行すると共に、前記空気流量調整機構により前記空気極へ導かれる空気流量を増加する空気流量増加制御を実行する点にある。
電解質層の一方側の面に相対して燃料ガスが供給される燃料極を設け、他方側の面に相対して空気が供給される空気極を設けて構成される燃料電池セルと、運転を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムの制御方法であって、その特徴構成は、
前記燃料電池システムが、前記燃料極からの燃料排ガスを通流する燃料排ガス流出路に開度を調整可能な燃料排ガス用開度調整弁と、前記空気極へ供給される空気の流量を調整可能な空気流量調整機構とを備えた構成で、
前記制御装置が、発電を停止する発電停止工程において、前記燃料排ガス用開度調整弁の開度を現時点の直前の開度よりも閉じ側へ制御する第１開度低下制御を実行すると共に、前記空気流量調整機構により前記空気極へ導かれる空気流量を増加する空気流量増加制御を実行する点にある。
【0009】
上記特徴構成によれば、発電停止工程において、空気流量調整機構により空気極へ導かれる空気流量を増加する空気流量増加制御を実行する以前に、燃料排ガス用開度調整弁の開度を現時点の直前の開度よりも閉じ側へ制御する第１開度低下制御を実行するから、空気流量増加制御のみを実行する場合に比べて、燃料ガスによる圧力と空気による圧力との圧力差により燃料電池セルに対して係る力を低減できる。
これにより、空気流量増加制御により従来よりも多くの空気を燃料電池セルに導いて燃料電池セルを効果的に冷却して、運転停止工程の時間短縮を図ることができる燃料電池システム、及びその制御方法を実行できる。
尚、空気流量の上限値は、セルスタックが熱応力により損傷しない冷却速度である冷却許容速度、且つ空気流量調整機構としてのブロアのブロア能力等により決定されるものである。
また、燃料排ガス用開度調整弁の開度は、燃料電池セルでの酸化が生じない程度の開度に適宜調整される。
これにより、空気流量増加制御により従来よりも多くの空気を燃料電池セルに導いて燃料電池セルを効果的に冷却して、運転停止工程の時間短縮を図ることができる燃料電池システム、及びその制御方法を実行できる。
尚、空気流量の上限値は、セルスタックが熱応力により損傷しない冷却速度である冷却許容速度、且つ空気流量調整機構としてのブロアのブロア能力等により決定されるものである。
また、燃料排ガス用開度調整弁の開度は、燃料電池セルでの酸化が生じない程度の開度に適宜調整される。
【0010】
燃料電池システムの更なる特徴構成は、
前記燃料極へ供給される燃料ガスの流量を調整可能な燃料ガス流量調整機構と、
前記燃料電池セルの雰囲気温度を計測可能な温度計測部とを備え、
前記制御装置は、前記発電停止工程において、前記温度計測部にて計測される温度が予め設定される放冷温度閾値未満となった場合、前記燃料排ガス用開度調整弁の開度を前記第１開度低下制御における開度よりも閉じ側へ制御する第２開度低下制御を実行した時点以降に、前記燃料ガス流量調整機構により前記燃料極へ供給される燃料ガスの流量を現状の流量よりも低下する燃料流量低下制御を実行する点にある。
前記燃料極へ供給される燃料ガスの流量を調整可能な燃料ガス流量調整機構と、
前記燃料電池セルの雰囲気温度を計測可能な温度計測部とを備え、
前記制御装置は、前記発電停止工程において、前記温度計測部にて計測される温度が予め設定される放冷温度閾値未満となった場合、前記燃料排ガス用開度調整弁の開度を前記第１開度低下制御における開度よりも閉じ側へ制御する第２開度低下制御を実行した時点以降に、前記燃料ガス流量調整機構により前記燃料極へ供給される燃料ガスの流量を現状の流量よりも低下する燃料流量低下制御を実行する点にある。
【0011】
さて、燃料電池システムでは、発電停止工程において、セルスタックの温度が低下してくると、セルの酸化速度も低下してくるため、燃焼する余剰燃料を減らすことで冷却速度を向上すると共に経済性を向上する目的で、燃料ガスの流量を低減する制御を実行する。
しかしながら、燃料ガスの流量の低下に伴って、燃料電池セルにおいて燃料ガスによる圧力が低下して、燃料ガスによる圧力と空気による圧力との圧力差が増加し、当該圧力差により燃料電池セルにかかる力が大きくなる。
そこで、上記特徴構成によれば、発電停止工程において、温度計測部にて計測される温度が予め設定される放冷温度閾値未満となった場合、燃料ガス流量調整機構により燃料極へ供給される燃料ガスの流量を現状の流量よりも低下する燃料流量低下制御を実行する以前に、燃料排ガス用開度調整弁の開度を第１開度低下制御における開度よりも閉じ側へ制御する第２開度低下制御を実行するので、セルスタックの温度が低下してきて燃料ガスの流量を低下する場合にも、燃料ガスによる圧力と空気による圧力との圧力差により燃料電池セルにかかる力が増加することを抑制でき、燃料電池セルが破損等することを効果的に防止できる。
しかしながら、燃料ガスの流量の低下に伴って、燃料電池セルにおいて燃料ガスによる圧力が低下して、燃料ガスによる圧力と空気による圧力との圧力差が増加し、当該圧力差により燃料電池セルにかかる力が大きくなる。
そこで、上記特徴構成によれば、発電停止工程において、温度計測部にて計測される温度が予め設定される放冷温度閾値未満となった場合、燃料ガス流量調整機構により燃料極へ供給される燃料ガスの流量を現状の流量よりも低下する燃料流量低下制御を実行する以前に、燃料排ガス用開度調整弁の開度を第１開度低下制御における開度よりも閉じ側へ制御する第２開度低下制御を実行するので、セルスタックの温度が低下してきて燃料ガスの流量を低下する場合にも、燃料ガスによる圧力と空気による圧力との圧力差により燃料電池セルにかかる力が増加することを抑制でき、燃料電池セルが破損等することを効果的に防止できる。
【0012】
燃料電池システムの更なる特徴構成は、
前記電解質層の前記面に直交する方向視で、
前記燃料電池セルにおける空気の流れ方向での所定位置において、前記空気極の空気による空気圧と、前記燃料極の燃料ガスによる燃料ガス圧との圧力差であって、当該圧力差が最大となる前記面上の特定位置での最大圧力差を導出可能な圧力差導出機構を備え、
前記制御装置は、前記圧力差導出機構にて導出される前記最大圧力差が、予め定められた許容最大圧力差以下となるように、前記空気流量増加制御を実行する点にある。
更に、燃料電池システムの更なる特徴構成は、
前記電解質層の前記面に直交する方向視で、
前記燃料電池セルにおける空気の流れ方向での所定位置において、前記空気極の空気による空気圧と、前記燃料極の燃料ガスによる燃料ガス圧との圧力差であって、当該圧力差が最大となる前記面上の特定位置での最大圧力差を導出可能な圧力差導出機構を備え、
前記制御装置は、前記圧力差導出機構にて導出される前記最大圧力差が、予め定められた許容最大圧力差以下となるように、前記空気流量増加制御及び前記燃料流量低下制御を実行する点にある。
前記電解質層の前記面に直交する方向視で、
前記燃料電池セルにおける空気の流れ方向での所定位置において、前記空気極の空気による空気圧と、前記燃料極の燃料ガスによる燃料ガス圧との圧力差であって、当該圧力差が最大となる前記面上の特定位置での最大圧力差を導出可能な圧力差導出機構を備え、
前記制御装置は、前記圧力差導出機構にて導出される前記最大圧力差が、予め定められた許容最大圧力差以下となるように、前記空気流量増加制御を実行する点にある。
更に、燃料電池システムの更なる特徴構成は、
前記電解質層の前記面に直交する方向視で、
前記燃料電池セルにおける空気の流れ方向での所定位置において、前記空気極の空気による空気圧と、前記燃料極の燃料ガスによる燃料ガス圧との圧力差であって、当該圧力差が最大となる前記面上の特定位置での最大圧力差を導出可能な圧力差導出機構を備え、
前記制御装置は、前記圧力差導出機構にて導出される前記最大圧力差が、予め定められた許容最大圧力差以下となるように、前記空気流量増加制御及び前記燃料流量低下制御を実行する点にある。
【0013】
上記特徴構成の如く、燃料ガスによる圧力と空気による圧力との圧力差を予め定められた許容最大圧力差以下となるように、空気流量増加制御、又は空気流量増加制御及び燃料流量低下制御の双方を実行することで、燃料電池セルに付与される圧力差である燃料ガスによる圧力と空気による圧力との圧力差を、常に許容最大圧力差以下とできるから、当該許容最大圧力差を適切に設定することで、圧力差により燃料電池セルが損傷することを効果的に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの概略構成図である。
【図2】セルスタックの一部断面図である。
【図3】実施形態に係る各種制御を実行した場合の空気極での空気の圧力と燃料極での燃料ガスの圧力との経時変化を示すグラフ図である。
【図4】空気極での空気の流れと燃料極での燃料ガスの流れとが並行流である場合、燃料電池セルでの位置毎における、空気極での空気の圧力と燃料極での燃料ガスの圧力とを示すグラフ図である。
【図5】空気極での空気の流れと燃料極での燃料ガスの流れとが対向流である場合、燃料電池セルでの位置毎における、空気極での空気の圧力と燃料極での燃料ガスの圧力とを示すグラフ図である。
【図6】実施形態に係る制御フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明の実施形態に係る燃料電池システム、及びその制御方法は、運転停止工程において空気と燃料ガスの圧力差による必要以上の力が燃料電池セルに加えられ燃料電池セルが破損することを防止できながらも、当該燃料電池セルを効果的に冷却でき、運転停止工程の時間短縮を図ることができるものに関する。
【0016】
以下、図１～６に基づいて、実施形態に係る燃料電池システム１００及びその制御方法について説明する。
図１、２に示すように、燃料電池システム１００は、高温作動の固体酸化物形として構成され、平板状の固体電解質層９の一方の平面に相対して燃料極７を設け、他方の平面に相対して空気極８を設けて構成される平板型の固体酸化物形の燃料電池セルＣを、燃料電池セルＣ同士の間にインターコネクタ１２を介在させた状態で複数積層して形成されるセルスタック６を備える。加えて、本実施形態の燃料電池システム１００は、脱硫部１と、気化部３と、改質部４と、燃焼部５と、熱交換部１０とを備える。このうち、容器２の内部に、気化部３と、改質部４と、燃焼部５と、熱交換部１０と、セルスタック６とが収容され、容器２の内部が高温に保たれている。
図１、２に示すように、燃料電池システム１００は、高温作動の固体酸化物形として構成され、平板状の固体電解質層９の一方の平面に相対して燃料極７を設け、他方の平面に相対して空気極８を設けて構成される平板型の固体酸化物形の燃料電池セルＣを、燃料電池セルＣ同士の間にインターコネクタ１２を介在させた状態で複数積層して形成されるセルスタック６を備える。加えて、本実施形態の燃料電池システム１００は、脱硫部１と、気化部３と、改質部４と、燃焼部５と、熱交換部１０とを備える。このうち、容器２の内部に、気化部３と、改質部４と、燃焼部５と、熱交換部１０と、セルスタック６とが収容され、容器２の内部が高温に保たれている。
【0017】
各燃料電池セルＣの燃料極７には改質部４で生成された水素を主成分とする燃料ガスが供給され、空気極８には空気（酸素）が供給される。そして、燃料電池セルＣからは、発電反応に用いられなかった水素を含むガス（燃料極排ガス）が排出され、発電反応に用いられなかった空気（空気極排ガス）が排出される。
【0018】
燃料極排ガス及び空気極排ガスは、燃焼部５に供給されて燃焼される。そして、燃焼部５から排出される燃焼排ガスは熱交換部１０に供給され、容器２の内部に導入された空気と熱交換した後（即ち、空気極８に供給される空気を加熱した後）で容器２の外部に排気される。
【0019】
脱硫部１では、炭化水素ガスを含む原燃料ガス（例えば、都市ガス等）に含まれる硫黄化合物が取り除かれる。気化部３には、改質用水と脱硫部１を通過した後の原燃料ガスとが供給される。気化部３は、供給される改質用水を、燃焼部５から伝達される燃焼熱を用いて加熱して蒸発させる。気化部３で生成された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、改質部４に供給される。改質部４にも、燃焼部５で発生した燃焼熱が伝達される。そして、改質部４は、気化部３から供給される混合ガスに含まれる原燃料ガスの改質処理を行うことで、水素を主成分とする燃料ガスを生成する。
【0020】
セルスタック６に供給される燃料ガスは、燃料ガス通流路３０から、燃料ガス通流支管３１を介して、燃料極７の表面とインターコネクタ１２の燃料極７側の表面との間に形成される燃料極側空間３２へ流入し、燃料極側空間３２を流れている間に燃料極７に供給され、燃料極側空間３２を流れた燃料ガスの残部及び反応生成ガス（水蒸気、炭酸ガス）を含む燃料極排ガスは、燃料排ガス流出路３３を介して、燃料極側空間３２の外部へ流出するように構成されている。尚、燃料極側空間３２は、インターコネクタ１２の表面に溝が形成される形態で設けられている。
【0021】
セルスタック６に供給される空気は、空気通流路２０から、空気通流支管２１を介して、空気極８の表面とインターコネクタ１２の空気極８側の表面との間に形成される空気極側空間２２に流入し、空気は空気極側空間２２を流れている間に空気極８に供給され、空気極側空間２２を流れた空気の残部が、空気流出路２３を介して、空気極側空間２２の外部に流出するように構成されている。尚、空気極側空間２２は、インターコネクタ１２の表面に溝が形成される形態で設けられている。
ちなみに、空気は、ブロア等により流量が調整される形態で供給される。
ちなみに、空気は、ブロア等により流量が調整される形態で供給される。
【0022】
本実施形態では、燃料極側空間３２を燃料ガスが通流する方向と、空気極側空間２２を空気が通流する方向とが同じである。つまり、燃料電池セルＣにおいて燃料ガスと空気とは並行して流れる。
【0023】
制御装置Ｓは、固体酸化物形燃料電池の動作を制御する。例えば、制御装置Ｓは、脱硫部１に供給される単位時間当たりの原燃料ガスの流量、気化部３に供給される単位時間当たりの改質用水の量、セルスタック６から出力される電流などを調節することで、改質部４の温度、セルスタック６での発電反応、燃焼部５の温度などを制御している。図示は省略するが、気化部３の温度、改質部４の温度、燃焼部５の温度などの情報が制御装置Ｓに伝達され、固体酸化物形燃料電池の動作制御に利用される。このような制御装置Ｓは、公知のソフトウェアとハードウェアとの協働により実現される。
【0024】
さて、ここで、セルスタック６の内部を効果的に冷却する方法としては、燃料電池セルＣに供給する空気の流量を増やすことが考えられる。
しかし、当該実施形態の平板型の燃料電池セルＣの如く、空気が導かれる空気極側空間２２が閉じられている構成においては、空気の流量を増やすことで空気極側空間２２の圧力が上昇する。それにより、空気極側空間２２と燃料極側空間３２とで圧力差が生じ、その間にある燃料電池セルＣに圧力差に起因する力がかかる。当該圧力差に起因する力が大きくなり過ぎると、燃料電池セルＣが破損する虞があるため、空気極側空間２２に供給可能な空気の流量は一定未満に制限する必要があり、十分な冷却効果が得られないという問題が生じる。
しかし、当該実施形態の平板型の燃料電池セルＣの如く、空気が導かれる空気極側空間２２が閉じられている構成においては、空気の流量を増やすことで空気極側空間２２の圧力が上昇する。それにより、空気極側空間２２と燃料極側空間３２とで圧力差が生じ、その間にある燃料電池セルＣに圧力差に起因する力がかかる。当該圧力差に起因する力が大きくなり過ぎると、燃料電池セルＣが破損する虞があるため、空気極側空間２２に供給可能な空気の流量は一定未満に制限する必要があり、十分な冷却効果が得られないという問題が生じる。
【0025】
そこで、当該実施形態に係る燃料電池システム１００にあっては、燃料極７からの燃料排ガスを通流する燃料排ガス流出路３３に開度を調整可能な燃料排ガス用開度調整弁Ｖと、空気極８へ供給される空気の流量を調整可能な空気流量調整機構としてブロア（図示せず）と、燃料極７へ供給される燃料ガスの流量を調整するべく脱硫部１へ導かれる原燃料ガスの流量を調整する燃料ガス流量調整機構として流量調整弁（図示せず）と、燃料電池セルＣの雰囲気温度（燃料電池セルＣ自体の温度を含む）を計測する温度センサＴ（温度計測部の一例）とが備えられる。
【0026】
更に、固体電解質層９の面に直交する方向視で、燃料電池セルＣにおける空気の流れ方向での所定位置において、空気極８側の空気による空気圧と、燃料極７側の燃料ガスによる燃料ガス圧との圧力差であって、当該圧力差が最大となる面上の特定位置での最大圧力差を導出可能な圧力差導出機構が備えられている。
当該圧力差導出機構は、空気極８を通流する空気と燃料極７を通流する燃料ガスとが並行流である場合、空気極８の入口の空気圧と燃料極７の入口の燃料ガス圧との圧力差が最大圧力差となるため、空気通流路２０での空気圧（例えば、ゲージ圧）を測定する第１圧力計ＰＡと、燃料ガス通流路３０での燃料ガス圧（例えば、ゲージ圧）を測定する第２圧力計ＰＦと、第１圧力計ＰＡにて測定される空気圧と第２圧力計ＰＦにて測定される燃料ガス圧との差圧を導出する制御装置Ｓとから構成される。
当該圧力差導出機構は、空気極８を通流する空気と燃料極７を通流する燃料ガスとが並行流である場合、空気極８の入口の空気圧と燃料極７の入口の燃料ガス圧との圧力差が最大圧力差となるため、空気通流路２０での空気圧（例えば、ゲージ圧）を測定する第１圧力計ＰＡと、燃料ガス通流路３０での燃料ガス圧（例えば、ゲージ圧）を測定する第２圧力計ＰＦと、第１圧力計ＰＡにて測定される空気圧と第２圧力計ＰＦにて測定される燃料ガス圧との差圧を導出する制御装置Ｓとから構成される。
【0027】
そして、制御装置Ｓは、少なくとも、発電を停止する発電停止工程において、圧力差導出機構にて導出される最大圧力差が予め定められた許容最大圧力差（例えば、数ｋＰａ以上１０ｋＰａ以下の値）以下となるように、燃料排ガス用開度調整弁Ｖの開度を現時点の直前の開度よりも閉じ側へ制御する第１開度低下制御を実行した時点以降に、空気流量調整機構により空気極８へ導かれる空気流量を増加する空気流量増加制御を実行するよう構成される。
【0028】
図４に基づいて、圧力差に関し説明を加えると、発電停止行程の開始時点（図４（ａ））においては、燃料極７の入口の燃料ガス圧と、空気極８の入口の空気圧力との差圧が、最大圧力差となり、当該最大圧力差が許容最大圧力差ΔＰｍａｘ以下となるよう、空気流量及び燃料ガス流量が制御されている。尚、燃料ガス流量については、セルが酸化しない、かつ雰囲気温度（セルスタック温度）が急激に下がり過ぎない最小限の流量に制御される。
次に、更なる空気流量の増加を図るために、燃料極７の燃料ガス圧を昇圧するべく、第１開度低下制御を実行した時点（図４（ｂ））においては、燃料極７の入口から出口にかけて、燃料ガス圧が、ΔＰｋ１だけ昇圧され、燃料極７の入口の燃料ガス圧と、空気極８の入口の空気圧力との差圧が、許容最大圧力差ΔＰｍａｘよりΔＰｋ１だけ小さいΔＰ１となる。
更に、空気流量増加制御が実行された時点（図４（ｃ））においては、空気流量が、燃料極７の入口の燃料ガス圧と、空気極８の入口の空気圧力との差圧である最大圧力差が許容最大圧力差ΔＰｍａｘ以下となるよう、空気流量が増加される。
これらの制御により、燃料電池セルＣにおいて、空気圧と燃料ガス圧との最大の差圧が、常に許容最大圧力差ΔＰｍａｘ以下となるよう制御しつつも、空気流量の増加を図っている。ここで、増加できる空気流量は、セルスタック６の冷却許容速度やブロアの能力により決定される。
次に、更なる空気流量の増加を図るために、燃料極７の燃料ガス圧を昇圧するべく、第１開度低下制御を実行した時点（図４（ｂ））においては、燃料極７の入口から出口にかけて、燃料ガス圧が、ΔＰｋ１だけ昇圧され、燃料極７の入口の燃料ガス圧と、空気極８の入口の空気圧力との差圧が、許容最大圧力差ΔＰｍａｘよりΔＰｋ１だけ小さいΔＰ１となる。
更に、空気流量増加制御が実行された時点（図４（ｃ））においては、空気流量が、燃料極７の入口の燃料ガス圧と、空気極８の入口の空気圧力との差圧である最大圧力差が許容最大圧力差ΔＰｍａｘ以下となるよう、空気流量が増加される。
これらの制御により、燃料電池セルＣにおいて、空気圧と燃料ガス圧との最大の差圧が、常に許容最大圧力差ΔＰｍａｘ以下となるよう制御しつつも、空気流量の増加を図っている。ここで、増加できる空気流量は、セルスタック６の冷却許容速度やブロアの能力により決定される。
【0029】
さて、これまで説明してきた燃料電池システム１００を用いた、より詳細な発電停止工程に関し、図３のグラフ図及び図６の制御フローに基づいて説明する。
因みに、燃料電池システム１００は、定格運転工程（例えば、出力１ｋＷ、セルスタック温度７５０℃）から発電を停止する場合、例えば、４時間程度で出力を１ｋＷから０ｋＷまで低下させると共に、数時間程度でセルスタック６の温度を７５０℃から２００℃以下まで低下させる。
因みに、燃料電池システム１００は、定格運転工程（例えば、出力１ｋＷ、セルスタック温度７５０℃）から発電を停止する場合、例えば、４時間程度で出力を１ｋＷから０ｋＷまで低下させると共に、数時間程度でセルスタック６の温度を７５０℃から２００℃以下まで低下させる。
【0030】
図３、６に示すように、制御装置Ｓは、運転停止工程が開始されると、圧力差導出機構により、空気極側空間２２の入口圧力（第１圧力計ＰＡにて測定される圧力）と燃料極側空間３２の入口圧力（第２圧力計ＰＦにて測定される圧力）との圧力差の監視を開始する（＃０１）。
制御装置Ｓは、発電停止工程開始時点において、燃料電池セルＣ（セルスタック６）を降温させるべく、圧力差導出機構により導出される圧力差が許容最大圧力差ΔＰｍａｘ以下（実質的には許容最大圧力差）となるように、燃料ガス流量を低下すると共に、空気流量を増加する（＃０２）。
制御装置Ｓは、発電停止工程開始時点において、燃料電池セルＣ（セルスタック６）を降温させるべく、圧力差導出機構により導出される圧力差が許容最大圧力差ΔＰｍａｘ以下（実質的には許容最大圧力差）となるように、燃料ガス流量を低下すると共に、空気流量を増加する（＃０２）。
【0031】
さて、ステップ＃０２の後、燃料電池セルＣを降温させる観点からは、空気流量を更に増加させることが好ましいが、単に空気流量を増加させると、圧力導出機構により導出される圧力差が許容最大圧力差ΔＰｍａｘを超えてしまう。
そこで、制御装置Ｓは、第１開度低下制御を実行して、燃料排ガス用開度調整弁Ｖを現時点の開度よりも閉じ側へ制御し、燃料極側空間３２の圧力を昇圧させる（＃０３）。
そこで、制御装置Ｓは、第１開度低下制御を実行して、燃料排ガス用開度調整弁Ｖを現時点の開度よりも閉じ側へ制御し、燃料極側空間３２の圧力を昇圧させる（＃０３）。
【0032】
制御装置Ｓは、ステップ＃０３により圧力差が許容最大圧力差ΔＰｍａｘよりも十分に小さくなった後、更に、空気極側空間２２への空気流量を増加する空気流量増加制御を実行する（＃０４）。尚、制御装置Ｓは、当該ステップ＃０４でも、圧力差導出機構にて導出される圧力差が許容最大圧力差ΔＰｍａｘとなるように、増加する空気流量を監視している。
【0033】
ステップ＃０４の後、燃料電池セルＣが降温してくると、当該燃料電池セルＣの酸化速度も低下するため、燃料ガス流量を徐々に低下することができる。ただし、当該状態では圧力差が許容最大圧力差ΔＰｍａｘとなっているため、燃料ガス流量を低下すると、燃料極側空間３２の圧力が低下し、圧力差が許容最大圧力差ΔＰｍａｘを超えてしまう。
【0034】
そこで、制御装置Ｓは、燃料電池セルＣ（セルスタック６）の温度Ｔｋが予め定められた放冷閾値温度Ｔｈ（例えば、４００℃）以下となった場合（＃０５でＹｅｓ）、第２開度低下制御を実行して、燃料排ガス用開度調整弁Ｖを現時点の開度よりも閉じ側へ制御し、燃料極側空間３２の圧力を昇圧させ（＃０６）、ステップ＃０６により圧力差が許容最大圧力差ΔＰｍａｘよりも十分に小さくなった後、更に、燃料極側空間３２への燃料ガス流量を低下する燃料ガス流量低下制御を実行する（＃０７）。一方、制御装置Ｓは、燃料電池セルＣ（セルスタック６）の温度Ｔｋが予め定められた放冷閾値温度Ｔｈを超えている場合（＃０５でＮｏ）、燃料電池セルＣ（セルスタック６）の温度Ｔｋが予め定められた放冷閾値温度Ｔｈ以下となるまで、ステップ＃０５の判定を繰り返し実行する。
【0035】
制御装置Ｓは、燃料電池セルＣ（セルスタック６）の温度Ｔｋが予め定められた判定閾値温度Ｔｓ（例えば、２００℃）を超えている場合（＃０８でＮｏ）、判定閾値温度Ｔｓ以下に温度低下するまで待機し、燃料電池セルＣ（セルスタック６）の温度Ｔｋが予め定められた判定閾値温度Ｔｓ以下となった場合（＃０８でＹｅｓ）、運転停止工程を終了する。
【0036】
尚、図３において、発停停止工程開始時点から第１開度低下制御開始時点までの時間Δｔ１、第１開度低下制御開始時点から空気流量増加制御開始時点までの時間Δｔ２、第２開度低下制御開始時点から燃料流量低下制御開始時点Δｔ３は、運転停止工程の時間を低下する観点からは、なるべく短いことが好ましく、例えば、ほぼ零程度の時間に設定される。
【0037】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、セルスタック６は、平板状の固体電解質層９の一方の平面に相対して燃料極７を設け、他方の平面に相対して空気極８を設けて構成される平板型の固体酸化物形の燃料電池セルＣを、燃料電池セルＣ同士の間にインターコネクタ１２を挟んだ状態で複数積層して形成されるものを例示したが、円筒形状の構成を採用しても構わない。
（１）上記実施形態では、セルスタック６は、平板状の固体電解質層９の一方の平面に相対して燃料極７を設け、他方の平面に相対して空気極８を設けて構成される平板型の固体酸化物形の燃料電池セルＣを、燃料電池セルＣ同士の間にインターコネクタ１２を挟んだ状態で複数積層して形成されるものを例示したが、円筒形状の構成を採用しても構わない。
【0038】
（２）燃料極側空間３２を燃料ガスＦが通流する方向と、空気極側空間２２を空気Ａ１が通流する方向は、上記実施形態の如く、並行流であっても構わないし、対向流や直交流であっても構わない。
【0039】
（３）上記実施形態では、炭化水素ガスを含む原燃料ガスを、脱硫・改質して水素を主成分とする燃料ガスを生成し、燃料電池セルＣへ供給する構成を示した。
これに替えて、水素を主成分とする燃料ガスを直接燃料電池セルＣへ供給する構成を採用しても構わない。この場合、燃料電池システム１００は、脱硫部１、気化部３、及び改質部４を備えない構成のものが好適に採用される。
これに替えて、水素を主成分とする燃料ガスを直接燃料電池セルＣへ供給する構成を採用しても構わない。この場合、燃料電池システム１００は、脱硫部１、気化部３、及び改質部４を備えない構成のものが好適に採用される。
【0040】
（４）上記実施形態において、燃料極７のインターコネクタ１２側の表面と、インターコネクタ１２の燃料極７側の表面とは直接接触せず、その間に集電体（図示せず）を設ける構成を採用しても構わない。
また、空気極８のインターコネクタ１２側の表面と、インターコネクタ１２の空気極８側の表面とが直接接触せず、その間に集電体（図示せず）を設ける構成を採用しても構わない。
当該集電体としては、ニッケルメッシュや白金メッシュが好適に用いられる。
また、空気極８のインターコネクタ１２側の表面と、インターコネクタ１２の空気極８側の表面とが直接接触せず、その間に集電体（図示せず）を設ける構成を採用しても構わない。
当該集電体としては、ニッケルメッシュや白金メッシュが好適に用いられる。
【0041】
（５）上記実施形態では、空気流量調整機構として、ブロアを例示したが、空気通流路２０の開度を調整する形態で空気流量を調整する流量調整弁等により空気流量調整機構を構成しても構わない。
【0042】
（６）上記実施形態においては、空気極８を通流する空気と燃料極７を通流する燃料ガスとが並行流である場合、空気極８の入口の空気圧と燃料極７の入口の燃料ガス圧との圧力差が最大圧力差となるため、第１圧力計ＰＡを空気通流路２０に設けると共に、第２圧力計ＰＦを燃料ガス通流路３０に設ける構成を示した。
例えば、空気極８を通流する空気と燃料極７を通流する燃料ガスとが対向流である場合、図５に示すように（ａ）発電停止工程開始時点及び（ｂ）空気流量増加制御時点の双方において、空気極８の入口の空気圧と燃料極７の燃料ガスの出口の燃料ガス圧との圧力差が最大圧力差となるため、第１圧力計ＰＡを空気流出路２３に設けると共に、第２圧力計ＰＦを燃料ガス通流路３０に設ける構成とすることができる。
例えば、空気極８を通流する空気と燃料極７を通流する燃料ガスとが対向流である場合、図５に示すように（ａ）発電停止工程開始時点及び（ｂ）空気流量増加制御時点の双方において、空気極８の入口の空気圧と燃料極７の燃料ガスの出口の燃料ガス圧との圧力差が最大圧力差となるため、第１圧力計ＰＡを空気流出路２３に設けると共に、第２圧力計ＰＦを燃料ガス通流路３０に設ける構成とすることができる。
【0043】
（７）上記実施形態では、圧力差導出機構は、第１圧力計ＰＡにて直接計測した空気圧と、第２圧力計ＰＦにて直接計測した燃料ガス圧との差圧を圧力差として導出した。
当該圧力差導出機構は、例えば、空気極側空間２２を通流する空気の流量から所定の換算式にて算出される圧力と、燃料極側空間３２を通流する燃料ガスの流量から所定の換算式にて算出される圧力との差圧を圧力差として導出しても構わない。
当該圧力差導出機構は、例えば、空気極側空間２２を通流する空気の流量から所定の換算式にて算出される圧力と、燃料極側空間３２を通流する燃料ガスの流量から所定の換算式にて算出される圧力との差圧を圧力差として導出しても構わない。
【0044】
（８）上記実施形態において、ステップ＃０５及びステップ＃０６は、放冷温度閾値を段階的に設定し、段階的に設定された放冷温度閾値をセルスタックの温度が下回るた毎に、第２開度低下制御を実行する制御としても構わない。
【0045】
尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0046】
本発明の燃料電池システム、及びその制御方法は、運転停止工程において空気と燃料ガスの圧力差による必要以上の力が燃料電池セルに加えられ燃料電池セルが破損することを防止できながらも、当該燃料電池セルを効果的に冷却でき、運転停止工程の時間短縮を図ることができる燃料電池システム、及びその制御方法として、有効に利用可能である。
【符号の説明】
【0047】
６ ：セルスタック
７ ：燃料極
８ ：空気極
９ ：固体電解質層
１２ ：インターコネクタ
３３ ：燃料排ガス流出路
１００ ：燃料電池システム
Ｃ ：燃料電池セル
ＰＡ ：第１圧力計
ＰＦ ：第２圧力計
Ｓ ：制御装置
Ｔ ：温度センサ
Ｖ ：燃料排ガス用開度調整弁
ΔＰｍａｘ ：許容最大圧力差
７ ：燃料極
８ ：空気極
９ ：固体電解質層
１２ ：インターコネクタ
３３ ：燃料排ガス流出路
１００ ：燃料電池システム
Ｃ ：燃料電池セル
ＰＡ ：第１圧力計
ＰＦ ：第２圧力計
Ｓ ：制御装置
Ｔ ：温度センサ
Ｖ ：燃料排ガス用開度調整弁
ΔＰｍａｘ ：許容最大圧力差
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】