燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法与流程

1.本公开涉及燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法。


背景技术：

2.作为使用由固体氧化物构成的电解质膜的电化学装置之一，例如已知固体氧化物型燃料电池(以下有时称为sofc)。sofc的电解质材料通常广泛使用以稳定化氧化锆为代表的氧化物离子传导体。氧化物离子传导体随着温度越低离子传导率越降低，因此将稳定化氧化锆用于电解质材料的sofc例如需要700℃以上的工作温度。近年来，从部件的化学稳定性以及低成本化的观点出发，能够在大约600℃工作的、使用了具有质子传导性的电解质材料的sofc备受关注。
3.然而，具备sofc的燃料电池系统中，为了使系统安全地停止，在运转停止处理中进行各种处理。作为该处理的一例，提出了将从sofc取出的电流设定为预定值，使电压快速降低的vlc(voltage limit control；电压限制控制)处理(例如专利文献1)。
4.专利文献1涉及的燃料电池系统，在vlc处理中实施停止控制，将电流取出到外部，并且在单电池电压降低至预定值以下之前的期间持续向阳极侧供给燃料。通过该控制，专利文献1涉及的燃料电池系统能够抑制vlc处理中的阳极的氧化劣化。
5.在先技术文献
6.专利文献1：日本特开2017
‑
111922公报


技术实现要素：

7.发明要解决的课题
8.但是，像专利文献1涉及的燃料电池系统这样实施停止控制，将电流取出到外部，并且在单电池电压降低至预定值以下之前的期间持续向阳极侧供给燃料的情况下，在使用了传导质子的电解质膜的固体氧化物型燃料电池中，有可能由于燃料枯竭而受到损坏。
9.本公开中作为一个例子，提出一种能够不对使用了传导质子的电解质膜的固体氧化物型燃料电池造成损坏而将其安全停止的燃料电池系统。
10.用于解决课题的手段
11.本公开涉及的燃料电池系统的一个技术方案，为解决上述课题，具备固体氧化物型燃料电池和控制器，所述固体氧化物型燃料电池具有膜电极接合体，利用燃料和空气通过电化学反应进行发电，所述膜电极接合体由传导质子的电解质膜、设置在所述电解质膜的一侧的主面的阴极、和设置在另一侧的主面的阳极构成，所述控制器在使燃料电池系统的运转停止的运转停止处理中进行控制，供给比开路状态的所述固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料。
12.另外，本公开涉及的燃料电池系统的控制方法，为解决上述课题，所述燃料电池系统具备固体氧化物型燃料电池，所述固体氧化物型燃料电池具有膜电极接合体，利用燃料和空气通过电化学反应进行发电，所述膜电极接合体由传导质子的电解质膜、设置在所述
电解质膜的一侧的主面的阴极、和设置在另一侧的主面的阳极构成，所述燃料电池系统的控制方法包括下述步骤：在使所述燃料电池系统的运转停止的运转停止处理中，供给比开路状态的所述固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料。
13.发明的效果
14.本公开如以上说明的那样构成，发挥能够不对使用了传导质子的电解质膜的固体氧化物型燃料电池造成损害而将其安全停止的效果。
附图说明
15.图1是示意性地表示本公开的第1实施方式涉及的燃料电池系统的结构的一例的框图。
16.图2是表示在图1所示的燃料电池系统的运转停止处理中实施的停止控制的一例的流程图。
17.图3是表示在图1所示的燃料电池系统的运转停止处理中实施的停止控制的一例的流程图。
18.图4是表示在图1所示的燃料电池系统的运转停止处理中实施的停止控制的一例的流程图。
19.图5是表示在图1所示的燃料电池系统的运转停止处理中实施的停止控制的一例的流程图。
20.图6是示意性地表示本公开的第2实施方式涉及的燃料电池系统的结构的一例的框图。
21.图7是表示在图6所示的燃料电池系统的运转停止处理中实施的停止控制的一例的流程图。
具体实施方式
22.(得到本公开的一个技术方案的经过)
23.作为具有质子传导性的电解质材料，例如可举出氧化物。具体而言，可例示出由具有bace1‑
x
m
x
o3‑
α
或bazr1‑
x
‑
y
ce
x
m
y
o3‑
α
或bazr1‑
x
m
x
o3‑
α
(m是3价的取代元素，x的值为0＜x＜1，y的值为0＜y＜1，(x+y)＝1，α以氧缺损量计为0＜α＜0.5)所表示的组成的钙钛矿型复合氧化物构成的离子传导体。该电解质材料除了质子传导性以外还具有空穴传导性。
24.然而，在使用这样的具有空穴传导性的质子传导体的电解质膜的sofc中，会发生伴随发电而产生的电流的一部分没有被取出到外部，而是在电解质膜内流动的现象。另一方面，在使用稳定化氧化锆等氧化物离子传导体的电解质膜的sofc中，该电解质膜的空穴传导性极小，因此伴随发电而产生的电流全都被取出到外部。
25.所以，在使用质子传导性的电解质膜的sofc与使用氧化物离子传导性的电解质膜的sofc中，产生以下区别。即、前者在根据流动于sofc的外部电路中的取出电流量计算出的燃料消耗量与实际的燃料消耗量之间产生偏差。另一方面，后者的根据取出电流量计算出的燃料消耗量与实际的燃料消耗量一致。
26.也就是说，关于取出电流量与燃料消耗量之间的关系，在使用氧化物离子传导体的电解质膜的sofc中，如果将消耗的燃料种类设为氢，将法拉第常数设为f，则可以由以下
的式子(1)表示。
27.燃料消耗量[mol/s]＝取出电流量[a]/2/f[c/mol]
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0028]
即、在使用氧化物离子传导体的电解质膜的sofc中，电解质材料几乎不具有空穴传导性。因此，在使用氧化物离子传导体的电解质膜的sofc中通过电化学反应而产生的电子不从电解质膜中通过，而是全部通过外部电路流到外部载荷。所以，关于取出电流量与燃料消耗量之间的关系成为如上述式子(1)所示。
[0029]
因此，在将使用氧化物离子传导体的电解质膜的sofc设为开路状态的情况下，在阳极与阴极之间没有流通电流的路径，在外部电路中流动的取出电流量为0。所以，使用氧化物离子传导体的电解质膜的sofc，在开路状态下燃料消耗量为0。
[0030]
根据以上，在使用氧化物离子传导体的电解质膜的sofc中，如果在sofc的外部电路中流动的取出电流量为0，则燃料消耗量为0。因此，只要不存在电化学反应以外的原因，即使停止燃料的供给也不会发生燃料枯竭。再者，开路状态是指不从sofc向外部载荷取出电流的状态。
[0031]
另一方面，在使用质子传导体的电解质膜的sofc中，由电化学反应产生的电子的一部分不仅在外部电路中流动，也在电解质膜中流动。因此，在由电化学反应产生的电流量、流动于外部电路的取出电流量、以及流动于电解质膜的电流量(即、电子空穴电流量)之间，成立由下述式子(2)所示的关系。
[0032]
由电化学反应产生的电流量[a]＝流动于外部电路的取出电流量[a]+流动于电解质膜的电流量[a]
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0033]
另外，在将消耗的燃料种类设为氢、并将法拉第常数设为f时，根据式子(2)能够如以下的式子(3)所示导出燃料消耗量。
[0034]
燃料消耗量[mol/s]＝(流动于外部电路的取出电流量[a]+流动于电解质膜的电流量[a])/2/f[c/mol]
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0035]
然而，如式子(3)所示，使用质子传导体的电解质膜的sofc中，即使设为开路状态将取出电流量设为0，由于通过电化学反应而产生的电子流动于电解质膜，因此燃料消耗量不为0。
[0036]
例如，使用质子传导体的电解质膜的sofc被设定为，运转温度600℃，从燃料电池堆取出的电流密度为0.22a/cm2，并且相对于燃料供给量，发电时所消耗的燃料的比例为85％。在该条件下，确认开路状态的使用质子传导体的电解质膜的sofc的燃料消耗量达到燃料供给量的25％以上。
[0037]
这样，使用质子传导体的电解质膜的sofc中，消耗的燃料为根据向外部取出的电流所估计的燃料消耗量以上。因此，使用质子传导体的电解质膜的sofc中，从防止燃料电池系统的运转停止处理时的燃料枯竭的观点出发，需要进行具有与使用氧化物离子传导体的电解质膜的sofc不同的特征的控制。但是，关于这样的使用质子传导体的电解质膜的sofc，尚未研究能够不造成由燃料枯竭导致的损伤而停止的燃料电池系统。
[0038]
因此，本发明人关于使用质子传导体的电解质膜的sofc中，能够不造成由燃料枯竭导致的损伤而停止的燃料电池系统进行了认真研究。结果得到以下见解。
[0039]
即、使用质子传导体的电解质膜的sofc中，消耗燃料而通过电化学反应产生的电流之中，作为取出电流而在外部电路中流动的比例与使用氧化物离子传导体的电解质膜的
sofc不同。因此，难以像专利文献1那样基于取出电流来实施停止控制。所以本发明人发现，在燃料电池系统的运转停止处理中，不基于取出电流来实施燃料电池系统的停止控制，而是关注于燃料消耗量来实施燃料电池系统的停止控制，则能够适当地控制燃料电池系统。
[0040]
也就是说，即使是使用质子传导体的电解质膜的sofc，随着在外部电路中流动的取出电流量增多，通过电化学反应而消耗的燃料的流量增加。该倾向在使用氧化物离子传导体的电解质膜的sofc中也是同样的。因此，sofc在开路状态时，也就是流动于外部电路中的取出电流量为0时，可以说是燃料消耗量最少的状态。
[0041]
因此，本发明人注意到，通过构成为一边使至少比开路状态时的燃料消耗量多的流量的燃料流到sofc，一边使燃料电池系统停止，能够防止由于燃料枯竭对sofc造成损害。
[0042]
上述的本发明人的见解，是迄今为止尚未明确的，其能够解决使用传导质子的电解质膜的sofc的停止控制中的课题。本公开具体提供以下所示的技术方案。
[0043]
本公开的第1技术方案涉及的燃料电池系统，具备固体氧化物型燃料电池和控制器，所述固体氧化物型燃料电池具有膜电极接合体，利用燃料和空气通过电化学反应进行发电，所述膜电极接合体由传导质子的电解质膜、设置在所述电解质膜的一侧的主面的阴极、和设置在另一侧的主面的阳极构成，所述控制器在使燃料电池系统的运转停止的运转停止处理中进行控制，供给比开路状态的所述固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料。
[0044]
在此，开路状态的固体氧化物型燃料电池中所消耗的燃料的流量是指在固体氧化物型燃料电池中所消耗的燃料的每单位时间的最小的流量。另外，运转停止处理是指在从控制器指示燃料电池系统的停止后直到例如包括供给燃料和空气等的辅机在内的燃料电池系统完全停止的状态为止的期间进行的处理。
[0045]
根据上述技术构成，控制器进行控制，以供给比在运转停止处理中由固体氧化物型燃料电池消耗的燃料的最小的流量多的流量的燃料。因此，在运转停止处理时，能够防止在使用传导质子的电解质膜的固体氧化物型燃料电池中发生燃料枯竭。
[0046]
由此，本公开的第1技术方案涉及的燃料电池系统，发挥能够不对使用传导质子的电解质膜的固体氧化物型燃料电池造成损害地将其安全停止的效果。
[0047]
本公开的第2技术方案涉及的燃料电池系统，在上述第1技术方案的基础上可以构成为：还具备将含氢气体作为所述燃料供给到所述固体氧化物型燃料电池的所述阳极的燃料供给器，所述控制器在使燃料电池系统的运转停止的运转停止处理中控制所述燃料供给器，供给比开路状态的所述固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料。
[0048]
根据上述技术构成，控制器能够在使燃料电池系统的运转停止的运转停止处理中，控制燃料供给器供给比开路状态的固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料。因此，在运转停止处理时，能够防止使用传导质子的电解质膜的固体氧化物型燃料电池中发生燃料枯竭。
[0049]
本公开的第3技术方案涉及的燃料电池系统，在上述第2技术方案的基础上可以构成为：还具备检测所述固体氧化物型燃料电池的温度的温度检测器，所述控制器在所述运转停止处理中控制所述燃料供给器，供给比开路状态的所述固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料，直到判定为由所述温度检测器检测出的温度成为在所述
电解质膜中不发生空穴传导的温度以下为止。
[0050]
在此，在电解质膜中不发生空穴传导的温度例如为400℃。如果固体氧化物型燃料电池的温度为400℃以下，则电解质膜中的电阻变大，容易发生空穴传导。
[0051]
根据上述技术构成，控制燃料供给器供给比开路状态的固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料，直到固体氧化物型燃料电池的温度成为不发生空穴传导的温度以下为止。因此，能够更切实地以不发生燃料枯竭的方式实施燃料电池系统的运转停止处理。
[0052]
本公开的第4技术方案涉及的燃料电池系统，在上述第2技术方案的基础上可以构成为：还具备检测所述固体氧化物型燃料电池的温度的温度检测器，所述控制器在所述运转停止处理中控制所述燃料供给器，供给比开路状态的所述固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料，直到判定为由所述温度检测器检测出的温度成为在所述阳极中不发生氧化还原反应的温度以下为止。
[0053]
在此，在阳极中不发生氧化还原反应的温度、特别是阳极中所含的ni不氧化的温度为400℃，进一步优选为200℃～300℃的范围的温度。该阳极中的氧化还原反应是由于阳极中的燃料枯竭引起的。
[0054]
根据上述技术构成，控制燃料供给器供给比开路状态的固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料，直到固体氧化物型燃料电池的温度成为在阳极中不发生氧化还原反应的温度以下为止。因此，能够以不发生由燃料枯竭引起的阳极的氧化还原反应的方式实施燃料电池系统的运转停止处理。
[0055]
本公开的第5技术方案涉及的燃料电池系统，在上述第2～第4技术方案中任一方案的基础上可以构成为：所述控制器在所述运转停止处理中控制所述燃料供给器，以所述固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量成为向所述固体氧化物型燃料电池供给的流量的90％以下的方式，供给比开路状态的所述固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料。
[0056]
根据上述技术构成，控制燃料供给器供给比开路状态的固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量，因此能够防止在使用传导质子的电解质膜的固体氧化物型燃料电池中发生燃料枯竭。另外，以固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量成为向固体氧化物型燃料电池供给的燃料的流量的90％以下的方式供给燃料。因此，即使燃料不均匀地流动而在阳极中产生燃料浓度偏差，也能够防止局部的燃料枯竭发生。
[0057]
本公开的第6技术方案涉及的燃料电池系统，在上述第1～第5技术方案中任一方案的基础上可以构成为：还具备将所述空气供给到所述固体氧化物型燃料电池的空气供给器，所述控制器在所述运转停止处理中控制所述空气供给器，供给比开路状态的所述固体氧化物型燃料电池所消耗的空气的流量更多的流量的空气。
[0058]
在此，开路状态的固体氧化物型燃料电池所消耗的空气的流量，可以说是指燃料电池系统中消耗的空气的每单位时间的最小的流量。
[0059]
根据上述技术构成，控制器在运转停止处理中控制空气供给器，供给比燃料电池系统中消耗的空气的最小的流量更多的流量的空气。因此，在运转停止处理时，在使用传导质子的电解质膜的固体氧化物型燃料电池中，能够防止燃料枯竭发生，并且防止空气枯竭发生。
[0060]
本公开的第7技术方案涉及的燃料电池系统，在上述第2～第6技术方案中的任一方案的基础上可以构成为：具备将所述固体氧化物型燃料电池从闭路状态切换为开路状态的切换部，所述控制器在所述运转停止处理中，控制所述切换部将所述固体氧化物型燃料电池从闭路状态切换为开路状态，并且控制所述燃料供给器供给比开路状态的所述固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料。
[0061]
根据上述技术构成，由于具备切换部，因此能够将固体氧化物型燃料电池从闭路状态切换为开路状态。并且，在运转停止处理中，控制切换部将固体氧化物型燃料电池从闭路状态切换为开路状态，因此能够使固体氧化物型燃料电池中产生的电流量最小化。因此，在运转停止处理中，能够减小固体氧化物型燃料电池内的发热。所以，在运转停止处理中，能够更快地降低燃料电池系统内的温度。另外，将固体氧化物型燃料电池设为开路状态，控制燃料供给器供给比开路状态的固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料。因此，在运转停止处理时，能够在使用传导质子的电解质膜的固体氧化物型燃料电池中防止燃料枯竭发生。
[0062]
本公开的第8技术方案涉及的燃料电池系统，在上述第1～第7技术方案中任一方案的基础上可以构成为：传导质子的电解质膜包含传导质子的氧化物。
[0063]
本公开的第9技术方案涉及的燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具备固体氧化物型燃料电池，所述固体氧化物型燃料电池具有膜电极接合体，利用燃料和空气通过电化学反应进行发电，所述膜电极接合体由传导质子的电解质膜、设置在所述电解质膜的一侧的主面的阴极、和设置在另一侧的主面的阳极构成，所述燃料电池系统的控制方法包括下述步骤：在使所述燃料电池系统的运转停止的运转停止处理中，供给比开路状态的所述固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料。
[0064]
在此，开路状态的固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的流量，可以说是指燃料电池系统中消耗的燃料的每单位时间的最小的流量。另外，运转停止处理是指在从控制器指示燃料电池系统的停止后直到例如包括供给燃料和空气等的辅机在内的燃料电池系统完全停止的状态为止的期间进行的处理。
[0065]
根据上述方法，包括在运转停止处理中，供给比燃料电池系统中消耗的燃料的最小的流量更多的流量的燃料的步骤。因此，在运转停止处理时，能够在使用传导质子的电解质膜的固体氧化物型燃料电池中防止燃料枯竭发生。
[0066]
由此，本公开的第7技术方案涉及的燃料电池系统的控制方法，发挥能够不对使用了传导质子的电解质膜的固体氧化物型燃料电池造成损害地将其安全停止的效果。
[0067]
以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。再者，以下对于在所有附图中相同或对应的构成部件会附带相同的参照符号并省略其说明。
[0068]
[第1实施方式]
[0069]
本公开的第1实施方式涉及的燃料电池系统100，是具备使用了传导质子的电解质膜的固体氧化物型燃料电池的燃料电池系统。以下，参照图1对第1实施方式涉及的燃料电池系统100的构成进行说明。图1是示意性地表示本公开的第1实施方式涉及的燃料电池系统100的构成的一例的框图。
[0070]
如图1所示，燃料电池系统100的构成具备燃料供给器11、空气供给器12、膜电极接合体13、层叠一个以上的膜电极接合体13而结合成的sofc堆15(固体氧化物型燃料电池)、
从sofc堆15向外部取出电流的电流取出线16、以及控制器17，所述膜电极接合体13由电解质膜13a、设置于该电解质膜13a的一个主面的阴极13b、以及设置于另一个主面的阳极13c构成，所述电解质膜13a由质子传导体构成。再者，在电流取出线16设有用于交替切换经由该电流取出线16向外部取出的电流量为0的开路状态和向外部取出电流的闭路状态的切换部14。切换部14根据从控制器17接收到的控制信号，将sofc堆15从闭路状态切换为开路状态。或者，切换部14根据从控制器17接收到的控制信号，将sofc堆15从开路状态切换为闭路状态。切换部14例如能够例示使接点(触点)接通/断开(on/off)的继电器。再者，图1中示出开路状态。
[0071]
燃料供给器11根据从控制器17接收到的控制信号，向构成sofc堆15的膜电极接合体13所具有的阳极13c供给含氢气体作为燃料。再者，含氢气体可以通过利用改性器使ch4等进行化学反应(即、改性反应)而生成，也可以通过水电解而生成。
[0072]
空气供给器12根据从控制器17接收到的控制信号，向构成sofc堆15的膜电极接合体13所具有的阴极13b供给空气作为氧化剂气体。
[0073]
电解质膜13a由具有质子传导性的电解质材料(即、质子传导体)构成。作为质子传导体，例如可使用由bace1‑
x
m
x
o3‑
α
或bazr1‑
x
‑
y
ce
x
m
y
o3‑
α
或bazr1‑
x
m
x
o3‑
α
(m是3价的置换元素，x的值为0＜x＜1，α的值以氧缺损量计为0＜α＜0.5)表示的电解质材料，但不限于此。电解质膜13a除了具有质子传导性以外还具有空穴的传导性。在电解质膜13a内传导的质子量的一部分或全部所对应的量的空穴，从电解质膜13a中的电位高的一方向电位低的一方移动。
[0074]
阴极13b是由具有电子传导性、氧化物离子(o2‑
)和质子的传导性、以及氧还原活性的材料构成的电极。构成阴极13b的材料，例如使用由组成式la
0.6
sr
0.4
co
0.2
fe
0.8
o3表示的材料、或该材料与质子传导体的混合物。
[0075]
阳极13c是由具有电子传导性、质子传导性、以及氢氧化活性的材料构成的电极。构成阳极13c的材料例如使用ni和质子传导体的混合物。
[0076]
sofc堆15使用从燃料供给器11供给的燃料(例如含氢气体)和从空气供给器12供给的空气(换言之为氧化剂气体)通过电化学反应进行发电。在sofc堆15中生成的电流，一部分由于电解质膜13a所具有的空穴传导性而经由该电解质膜13a从阴极13b向阳极13c流动，剩余的电流通过电流取出线16被取出到外部。
[0077]
即、sofc堆15中，在阳极13c通过氢的电化学反应而产生的质子，从阳极13c经由电解质膜13a传导至阴极13b。然后，在阴极13b中，质子与空气发生电化学反应，此时产生的空穴的一部分作为电流从阴极13b经由电解质膜13a向阳极13c流动。另外，剩余的电子作为电流通过电流取出线16被取出到外部。再者，在根据从控制器17接收到的控制信号，利用切换部14将sofc堆15从闭路状态切换成闭路状态的情况下，在阴极13b中质子与空气的电化学反应时产生的全部空穴，作为电流从阴极13b经由电解质膜13a向阳极13c流动。
[0078]
控制器17进行燃料电池系统100所具备的各部分的各种控制。控制器17例如控制燃料供给器11调整向阳极13c供给的燃料的流量，或控制空气供给器12调整向阴极13b供给的空气的流量。或者，控制器17控制切换部14将sofc堆15切换成开路状态和闭路状态中的任一种。
[0079]
控制器17只要具有控制功能，则可以是任意结构。例如，控制器17可以是具备未图示的运算处理部和存储控制程序的未图示的存储部的结构。作为运算处理部，例如可例示
由1个以上运算电路构成的结构。运算电路例如可举出mpu(微处理器)或cpu等。存储部例如可例示由1个以上存储电路构成的结构。作为存储电路，例如可举出半导体存储器等。控制器17既可以由对燃料电池系统100的各部分进行集中控制的单独的控制部构成，也可以由相互协作地进行分散控制的多个控制部构成。
[0080]
接着，参照图2对具有上述结构的燃料电池系统100中的运转停止处理进行说明。图2是表示在图1所示的燃料电池系统100的运转停止处理中实施的停止控制的一例的流程图。
[0081]
首先，指示燃料电池系统100的停止，开始运转停止处理。在运转停止处理中，在燃料电池系统达到完全停止的状态之前进行各种控制。作为该各种控制之一，执行以下的停止控制。
[0082]
在运转停止处理中，控制器17计算开路状态的sofc堆15中的燃料消耗量(步骤s11)。在该开路状态的sofc堆15中消耗的燃料的流量，可以通过进行使用了具备开路状态的sofc堆15的燃料电池系统100的实验或模拟计算等来求出。
[0083]
在步骤s11中计算燃料消耗量时，控制器17将由燃料供给器11供给到阳极13c的燃料的供给量(即、燃料供给量)设定为大于该计算出的燃料消耗量的值(步骤s12)。然后，控制器17控制燃料供给器11将基于在步骤s12中设定的燃料供给量的流量的燃料供给到阳极13c(步骤s13)。
[0084]
如上所述，在第1实施方式涉及的燃料电池系统100中，控制器17进行控制使得由燃料供给器11向阳极13c供给的燃料的流量多于开路状态的sofc堆15、即经由电流取出线16取出的电流设为0时的sofc堆15中消耗的燃料的流量。
[0085]
通过控制器17这样控制燃料供给器11，即使在运转停止处理中，也能够供给比在开路状态的sofc堆15中消耗的燃料的流量多的流量的燃料。在此，所谓开路状态的sofc堆15中消耗的燃料的流量，是sofc堆15中消耗的燃料的每单位时间的最小的流量。因此，控制器17能够控制燃料供给器11，供给比在运转停止处理中燃料电池系统100所消耗的燃料的最小的流量多的流量的燃料。因此，在运转停止处理时，能够防止在sofc堆15中发生燃料枯竭。
[0086]
另外，在运转停止处理中，控制器17可以控制燃料供给器11以使得向sofc堆15的阳极13c供给的燃料的流量特别是满足以下的条件。
[0087]
即、控制器17在运转停止处理中控制燃料供给器11，以sofc堆15所消耗的燃料的流量成为向sofc堆供给的燃料的流量的90％以下的方式，供给比开路状态的sofc堆15中消耗的燃料的流量更多的流量的燃料。再者，这里提到的90％是指摩尔基数。
[0088]
这样，通过燃料供给器11供给加上了安全余量的量的燃料，即使在燃料不均匀地流动而在阳极13c中燃料的浓度产生偏差的情况下，也能够防止局部的燃料枯竭的发生。
[0089]
另外，如图3所示，也可以在将sofc堆15切换为开路状态的基础上，在运转停止处理中进行上述停止控制。图3是表示在图1所示的燃料电池系统100的运转停止处理中实施的停止控制的一例的流程图。
[0090]
在运转停止处理中，首先，控制器17控制切换部14将sofc堆15从闭路状态切换为开路状态。切换部14根据从控制器17接收到的控制信号，将sofc堆15从闭路状态切换为开路状态(步骤s21)。再者，此后的步骤s22～步骤s24的各处理与图2所示的步骤s11～步骤
s13相同，因此省略说明。
[0091]
再者，步骤s21中实施的处理不一定必须在步骤s22的前段实施。步骤s21中实施的处理只要至少比步骤s24中实施的燃料的供给处理更靠前段实施即可。
[0092]
在运转停止处理中，控制切换部14将sofc堆15从闭路状态切换为开路状态的情况下，能够使sofc堆15中产生的电流量最小。因此，在运转停止处理中，能够减小sofc堆15内的发热，能够更快地降低燃料电池系统100内的温度。
[0093]
另外，如图4所示，可以使sofc堆15保持闭路状态，在向外部取出一定电流量的同时进行停止控制。图4是表示在图1所示的燃料电池系统100的运转停止处理中实施的停止控制的一例的流程图。
[0094]
在运转停止处理中，控制器17计算开路状态的sofc堆15中的燃料消耗量(步骤s31)。该步骤s31以及以下的步骤s33和s35，与图2所示的步骤s11～s13为相同的处理，因此省略详细的说明。
[0095]
控制器17计算开路状态的sofc堆15的燃料消耗量后，接着确定从sofc堆15取出的电流的电流值(取出电流值)(步骤s32)。然后，控制器17将向sofc堆15供给的燃料供给量设定为比在步骤s31中计算出的燃料消耗量更多的值(步骤s33)。
[0096]
在此，在运转停止处理中，成为一边向外部取出一定的电流一边进行停止控制的结构。因此，sofc堆15中消耗的燃料的流量(燃料消耗量)除了成为开路状态的sofc堆15中消耗的流量以外，还成为为了生成向外部取出的电流而消耗的流量。因此，控制器17在步骤s33中，将向sofc堆15供给的燃料的流量设定为比在开路状态的sofc堆15中消耗的流量与为了生成向外部取出的电流而消耗的流量相加的流量更多的流量。
[0097]
接着，控制器17控制燃料供给器11，将基于在步骤s33中设定的燃料供给量的流量的燃料向sofc堆15供给(步骤s34)。然后，控制器17进行控制，将在步骤s32中确定的电流值的电流经由电流取出线16取出到外部(步骤s35)。
[0098]
另外，在上述运转停止处理的停止控制中，对燃料供给器11的燃料的供给控制进行了说明。也可以与该燃料的供给控制同样地如图5所示实施空气供给器12的空气的供给控制。图5是表示在图1所示的燃料电池系统100的运转停止处理中实施的停止控制的一例的流程图。再者，该图5所示的停止控制在燃料电池系统100的停止指示后，与图2所示的停止控制并行执行。
[0099]
在运转停止处理中，控制器17计算开路状态的sofc堆15的空气消耗量(步骤s41)。在该开路状态的sofc堆15中消耗的空气的流量，可以通过进行使用了具备开路状态的sofc堆15的燃料电池系统100的实验或模拟计算等来求出。
[0100]
在步骤s41中计算空气消耗量时，控制器17将由空气供给器12向阴极13b供给的空气的供给量(即、空气供给量)设定为比该计算出的空气消耗量更多的值(步骤s42)。然后，控制器17控制空气供给器12，将基于在步骤s42中设定的空气供给量的流量的空气向阴极13b供给(步骤s43)。
[0101]
如上所述，第1实施方式涉及的燃料电池系统100中，控制器17进行控制，以使得由空气供给器12向阴极13b供给的空气的流量多于开路状态的sofc堆15、即经由电流取出线16取出的电流设为0时的sofc堆15所消耗的空气的流量。
[0102]
通过控制器17这样控制空气供给器12，即使在运转停止处理中，也能够供给比在
开路状态的sofc堆15中消耗的空气的流量更多的流量的空气。在此，开路状态的sofc堆15中消耗的空气的流量是指sofc堆15中消耗的空气的每单位时间的最小流量。因此，控制器17控制空气供给器12供给比在运转停止处理中燃料电池系统100所消耗的空气的最小流量更多的流量的空气。因此，在运转停止处理时，能够防止在sofc堆15中发生空气枯竭。
[0103]
再者，空气供给器12的空气供给量的控制也可以与燃料供给器11的燃料供给量的控制同样地，在运转停止处理中将sofc堆15切换为开路状态后执行。另外，也可以确定从sofc堆15取出的电流值，一边将该确定的电流值的电流向外部取出一边执行。在将这样确定的电流值的电流取出到外部的同时进行停止控制的情况下，控制器17将向sofc堆15供给的空气的流量设定为比开路状态的sofc堆15中消耗的电流与为了生成向外部取出的电流而消耗的电流相加的流量更多的流量。
[0104]
[第2实施方式]
[0105]
参照图6对本公开的第2实施方式涉及的燃料电池系统110进行说明。图6是示意性地表示本公开的第2实施方式涉及的燃料电池系统110的构成的一例的框图。
[0106]
如图6所示，第2实施方式涉及的燃料电池系统110，在第1实施方式涉及的燃料电池系统100的结构的基础上，还具备检测sofc堆15的温度的温度检测器21。除了具备温度检测器21这一点以外，第2实施方式涉及的燃料电池系统110与第1实施方式涉及的燃料电池系统100结构相同。因此，对于第2实施方式涉及的燃料电池系统110所具备的部件之中与第1实施方式涉及的燃料电池系统100所具备的部件同样的部件，附带相同的附图标记，并省略其说明。
[0107]
温度检测器21检测sofc堆15内的一处以上的温度，并将该值向控制器17输出。温度检测器21例如可例示利用热电偶的温度传感器等。再者，sofc堆15内的温度例如可以设为阳极13c或电解质膜13a的温度。
[0108]
温度检测器21可以是直接测定sofc堆15而得到sofc堆15的温度的结构。另外，也可以是测定与sofc堆15的温度相关的其它部件的温度从而间接地得到sofc堆15的温度的结构。例如，如果能够得到sofc堆15的温度，则可以测定燃料电池系统110内的其附近的结构体的温度。或者也可以测定在sofc堆15中流动的燃料或空气的温度。
[0109]
接着，参照图7对具有上述结构的燃料电池系统110中的运转停止处理进行说明。图7是表示在图6所示的燃料电池系统110的运转停止处理中实施的停止控制的一例的流程图。
[0110]
在运转停止处理中，控制器17计算开路状态的sofc堆15中的燃料消耗量(步骤s51)。该开路状态的sofc堆15中消耗的燃料的流量可以通过使用了具备开路状态的sofc堆15的燃料电池系统110的实验或模拟计算等来求出。
[0111]
在步骤s51中计算燃料消耗量时，控制器17将由燃料供给器11向阳极13c供给的燃料供给量设定为比该计算出的燃料消耗量更多的值(步骤s52)。然后，控制器17控制燃料供给器11将基于在步骤s52中设定的燃料供给量的流量的燃料向阳极13c供给(步骤s53)。
[0112]
再者，控制器17可以控制燃料供给器11，以sofc堆15中消耗的燃料的流量成为供给到sofc堆15的燃料的流量的90％以下的方式，供给比开路状态的sofc堆15所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料。
[0113]
接着，控制器17基于由温度检测器21检测的温度的值，判定sofc堆15的温度是否
为预定的温度以下(步骤s54)。在此，预定的温度是指在电解质膜13a中不发生空穴传导的温度以下的温度，例如可以设为500℃以下、优选为400℃以下的温度。随着sofc堆15的温度越低，电解质膜13a中的电阻变大，阻碍空穴传导。并且，已知如果sofc堆15的温度降低至500℃以下、优选为400℃以下，则在电解质膜13a中不发生空穴传导。
[0114]
或者，预定的温度可以是在阳极13c中不发生氧化还原反应的温度，也就是阳极13c中所含的ni不被从阴极13b侧侵入的空气氧化的温度以下的温度。ni不被氧化的温度为400℃，更优选为200℃～300℃的范围。
[0115]
在步骤s54的判定中，控制器17在判定为sofc堆15的温度大于预定的温度的情况下(步骤s54中为“否”)，返回步骤s51，重复进行步骤s51～步骤s53的处理。另一方面，在步骤s54的判定中，判定为sofc堆15的温度为预定的温度以下的情况下(步骤s54中为“是”)，控制器17控制燃料供给器11使燃料的供给停止(步骤s55)。然后，燃料电池系统110结束停止控制。
[0116]
如上所述，控制器17控制燃料供给器11供给在运转停止处理中由燃料供给器11供给到阳极13c的燃料的流量比开路状态的sofc堆15所消耗的燃料的流量更多的流量的燃料。换言之，控制器17控制燃料供给器11供给比固体氧化物型燃料电池所消耗的燃料的最小的流量更多的流量的燃料。因此，在运转停止处理时，能够防止在使用了传导质子的电解质膜的sofc堆15的阳极13c中发生燃料枯竭。
[0117]
另外，控制器17控制燃料供给器11在sofc堆15的温度成为预定的温度以下之前持续进行燃料的供给。在此，将预定的温度设为不发生空穴传导的温度的情况下，在成为电解质膜13a中不发生空穴传导的温度之前持续进行燃料的供给。因此，在发生空穴传导的温度区域不会停止燃料的供给，因此能够在阳极13c中不发生燃料枯竭。
[0118]
另一方面，将预定的温度设定为在阳极13c中不发生氧化还原反应的温度的情况下，在sofc堆15处于在阳极13c中ni有可能氧化的温度区域的期间持续进行燃料的供给。因此，在sofc堆15的温度处于ni有可能氧化的温度区域时，能够防止空气从阴极13b侧进入。所以，能够防止在阳极13c中ni氧化。
[0119]
再者，在第2实施方式涉及的燃料电池系统110中，可以与第1实施方式涉及的燃料电池系统100的图3所示的停止控制同样地，控制器17控制切换部14将sofc堆15从闭路状态切换为开路状态，执行上述停止控制。另外，也可以与第1实施方式涉及的燃料电池系统100的图4所示的停止控制同样地，使sofc堆15保持闭路状态，在将一定的电流量取出到外部的同时进行上述停止控制。
[0120]
另外，在第2实施方式涉及的燃料电池系统110中，可以与第1实施方式涉及的燃料电池系统100的图5所示的停止控制同样地，并行地使控制器17进行控制，使由空气供给器12向阴极13b供给的空气的流量多于开路状态的sofc堆15中消耗的空气的流量。
[0121]
产业可利用性
[0122]
本公开能够适用于具备以质子传导体为电解质膜的固体氧化物型燃料电池的燃料电池系统。
[0123]
附图标记说明
[0124]
11：燃料供给器
[0125]
12：空气供给器
[0126]
13：膜电极接合体
[0127]
13a：电解质膜
[0128]
13b：阴极
[0129]
13c：阳极
[0130]
14：切换部
[0131]
15：sofc堆(固体氧化物型燃料电池)
[0132]
16：电流取出线
[0133]
17：控制器
[0134]
21：温度检测器
[0135]
100：燃料电池系统
[0136]
110：燃料电池系统