固体氧化物型燃料电池系统、固体氧化物型燃料电池系统的控制方法

摘要

本发明的固体氧化物型燃料电池系统具备：固体氧化物型的燃料电池；燃烧器，其配置于燃料电池的阴极气体供给线路；燃料供给部，其向燃烧器供给燃料；以及阴极气体供给部，其向阴极气体供给线路供给阴极气体。具备停止控制部，该停止控制部进行以下控制来作为燃料电池的停止控制：使来自阴极气体供给部的阴极气体供给量为规定量；以及从燃料供给部供给与阴极气体供给量对应的供给量的燃料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物型燃料电池系统以及固体氧化物型燃料电池系统的控制方法。

背景技术

日本特开2014-68490号公报公开了一种在将车辆用蓄电池与马达连接的电力供给线路上连接有燃料电池的燃料电池系统。另外，作为车载用的燃料电池，提出了使用与以往的固体高分子型燃料电池相比变换效率高的固体氧化物型的燃料电池。但是，在使该燃料电池的系统停止时，需要使燃料电池的输出电压(开路电压)下降至即使接触人体也安全的电压(目标电压)。因此，以往对燃料电池安装放电电路，在系统停止时停止阴极气体的供给，驱动放电电路来强制性地使开路电压下降。

发明内容

另外，当使用放电电路来使燃料电池放电时，随着该放电，阴极的氧被消耗，阴极电极的周围的氧分压下降。但是，在整个向燃料电池供给阴极气体的通路中为以下形式：除了阴极电极的周围以外，氧以高分压残留。因此，即使在对燃料电池放电后，通路内的氧也会扩散到阴极电极的周围，开路电压会再次上升。因而，需要重复放电直到开路电压收敛为目标电压为止。

另外，当阴极电极的周围的氧分压变为规定值以下时，阴极电极会发生缺气(starvation)而劣化(构造变化)。因此，需要以使阴极电极的周围的氧分压不会变为用于避免阴极电极劣化的规定分压以下的方式重复放电。因而，结果是使燃料电池的开路电压收敛为目标电压需要大量的时间。

本发明的目的在于提供一种在固体氧化物型的燃料电池的停止控制中在避免阴极电极劣化的同时使燃料电池的开路电压在短时间内收敛至目标电压的固体氧化物型燃料电池系统以及固体氧化物型燃料电池系统的控制方法。

本发明的一个方式中的固体氧化物型燃料电池系统具备：固体氧化物型的燃料电池；燃烧器，其配置于燃料电池的阴极气体供给线路；燃料供给部，其向燃烧器供给燃料；以及阴极气体供给部，其向阴极气体供给线路供给阴极气体。具备停止控制部，该停止控制部进行以下控制来作为燃料电池的停止控制：使来自阴极气体供给部的阴极气体供给量为规定量；以及从燃料供给部供给与阴极气体供给量对应的供给量的燃料。

附图说明

图1是表示第一实施方式的燃料电池系统的主要结构的框图。

图2是表示第一实施方式的燃料电池系统的暖机控制的过程的流程图。

图3是表示第一实施方式的燃料电池系统的停止控制的过程的流程图。

图4是表示利用放电电路使燃料电池堆的开路电压下降时的变化的图。

图5是表示利用燃烧气体使燃料电池堆的开路电压下降时的变化的图。

图6是表示第二实施方式的燃料电池系统的停止控制的过程的流程图。

图7是表示第三实施方式的燃料电池系统的停止控制的过程的流程图。

图8是表示第四实施方式的燃料电池系统的停止控制的过程的流程图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的实施方式。

[燃料电池系统的结构]

图1是表示第一实施方式中的燃料电池系统的主要结构的框图。本实施方式的燃料电池系统10(固体氧化物型燃料电池系统)包括：燃料供给系统，其向燃料电池堆12供给阳极气体(燃料气体)；暖机系统，其使燃料电池堆12暖机；空气供给系统，其向暖机系统供给阴极气体，向燃料供给系统供给对重整用燃料进行重整所需的空气(重整用空气)；排气系统，其排出从燃料电池堆12排出的阳极排气和阴极排气；以及驱动系统，其从燃料电池堆12取出电力来获得动力。

燃料供给系统包括燃料罐20、过滤器22、泵24、蒸发器32、热交换器34、重整器36等。暖机系统包括启动燃烧器52等。空气供给系统包括过滤器38、压缩机40、热交换器50等。排气系统包括排气燃烧器58等。驱动系统包括DC-DC转换器68、蓄电池70、驱动马达72等。另外，燃料电池系统10具备对系统整体的动作进行控制的控制部78。

上述结构要素中的燃料电池堆12、蒸发器32、热交换器34、重整器36、热交换器50、启动燃烧器52、排气燃烧器58收容于绝热构件30，减少向外部的热的放出，来抑制发电控制时的各自的温度下降。

燃料电池堆12是固体氧化物型燃料电池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)，是层叠用阳极电极(燃料极)和阴极电极(空气极)将由陶瓷等固体氧化物形成的电解质层夹在中间所得到的单电池而成的。另外，燃料电池堆12的阳极被供给阳极气体，阴极被供给阴极气体。

在此，设阳极不仅包括构成燃料电池堆12的阳极电极，还包括燃料电池堆12内的向阳极电极供给阳极气体的通路(歧管)以及燃料电池堆12内的使在阳极电极处反应后的阳极排气排出的通路(歧管)。同样地，设阴极不仅包括构成燃料电池堆12的阴极电极，还包括燃料电池堆12内的向阴极电极供给阴极气体的通路(歧管以及燃料电池堆12内的使在阴极电极处反应后的阴极排气排出的通路(歧管)。

在燃料电池堆12中，使阳极气体中包含的氢与阴极气体中的氧发生反应来进行发电，并且排出在反应后生成的阳极排气和阴极排气。另外，在燃料电池堆12中安装有对燃料电池堆12内的温度进行测定的温度传感器76A。温度传感器76B对燃料电池堆12的周围温度进行测定或估计。温度传感器76B安装于燃料电池堆12的外部、例如绝热构件30的内侧等。

在燃料电池堆12上连接有向燃料电池堆12的阳极供给阳极气体的通路26A、在暖机时向燃料电池堆12的阴极供给燃烧气体并在发电控制时向该阴极供给阴极气体的通路42A、将从燃料电池堆12的阳极排出的阳极排气(燃料排气)导入到排气燃烧器58的通路26D、将从燃料电池堆12的阴极排出的阴极排气(氧化排气)导入到排气燃烧器58的通路42D。另外，在通路26D上安装有流路切断阀62B。流路切断阀62B在燃料电池堆12的发电控制时开放通路26D，在后述的燃料电池系统10的暖机控制和停止控制中封闭通路26D。

燃料罐20储存由例如使乙醇与水混合而得到的液体形成的重整用燃料(燃料)，泵24吸引重整用燃料来以规定的压力向燃料供给系统供给重整用燃料，向暖机系统供给燃烧用燃料(与重整用燃料相同的燃料)。过滤器22配置于燃料罐20与泵24之间，去除被泵24吸引的重整用燃料内的杂质。

从燃料罐20供给重整用燃料的通路26分支成向蒸发器32供给重整用燃料的通路26A、向启动燃烧器52供给燃烧用燃料的通路26B、向排气燃烧器58供给燃烧用燃料的通路26C。在通路26A上安装有能够开放/封闭通路26A的流路并且能够调整重整用燃料的供给量的节气门28A(重整用燃料供给部)。同样地，在通路26B上安装有节气门28B(燃料供给部)，在通路26C上安装有节气门28C。

节气门28A在燃料电池系统10的暖机控制时封闭通路26A，在暖机控制结束时以规定开度开放通路26A来借助喷射器29A使重整用燃料流通。节气门28B在燃料电池系统10的暖机控制时以规定开度开放通路26B来借助喷射器29B使燃烧用燃料流通，在暖机控制结束时封闭通路26B。节气门28C在燃料电池系统10的暖机控制时以规定开度开放通路26C来借助喷射器29C使燃烧用燃料流通，在暖机控制结束时或在暖机控制的中途封闭通路26C。

蒸发器32利用从排气燃烧器58排出的排气气体的热来使重整用燃料汽化。热交换器34从排气燃烧器58被供给热，进一步进行加热以在重整器36中对汽化后的重整用燃料进行重整。

重整器36通过催化剂反应将重整用燃料重整为包含氢的阳极气体后将该阳极气体供给到燃料电池堆12(阳极)。重整器36从后述的通路42B被供给重整用空气(与阴极气体相同的气体)，将该重整用空气使用于催化剂反应，来将重整用燃料重整为阳极气体。

压缩机40(阴极气体供给部)通过过滤器38来取入外部空气，将空气(阴极气体)供给到燃料电池堆12等。在压缩机40供给所排出的空气的通路42上安装有溢流阀44，当通路42内的压力超过规定值时，开放通路42来避免压缩机40承受规定以上的负荷。另外，在通路42的比溢流阀44更靠上游的位置处安装有给气切断阀62A。给气切断阀62A通常开放通路42，但是在燃料电池系统10的停止控制的最终阶段封闭通路42。通路42分支成向热交换器50供给阴极气体(空气)的通路42A以及向热交换器34(重整器36)供给重整用空气的通路42B。

在通路42A(阴极气体供给线路)上安装有节气门46A(阴极气体供给部)，能够通过控制部78的控制来调整阴极气体的供给量。同样地，在通路42B上安装有节气门46B，能够通过控制部78的控制来调整重整用空气的供给量。并且，在各通路的比各节气门更靠空气的下游的位置安装有拦截火焰的回火防止装置48。

热交换器50利用从排气燃烧器58排出的排气气体的热来对阴极气体进行加热。

启动燃烧器52在燃料电池系统10的暖机控制时生成用于对燃料电池堆12进行暖机的燃烧气体。对启动燃烧器52供给将被热交换器50加热的阴极气体与从喷射器29B供给并被电加热器54A加热的燃烧用燃料，启动燃烧器52将两者混合。然后，利用附属于启动燃烧器52的点火装置来点着阴极气体与燃烧用燃料的混合物，生成高温的燃烧气体。该燃烧气体通过通路42A被供给到燃料电池堆12的阴极。

排气燃烧器58在发电控制时，将从通路26D供给的阳极排气与从通路42D供给的阴极排气混合，使该混合气体进行催化剂燃烧，生成以二氧化碳、水为主成分的排气气体，并且将催化剂燃烧所产生的热传递到热交换器34等。另外，排气燃烧器58在暖机控制时使从喷射器29C供给并被电加热器54B加热的燃烧用燃料与从通路42D供给的燃烧气体(含有氧)混合，将其燃烧来生成排气气体，通过该燃烧，将排气燃烧器58暖机至能够进行催化剂燃烧的温度。并且，排气燃烧器58与排出燃烧后的排气气体的排气通路64连接，排气通路64通过蒸发器32、热交换器50后与消声器(未图示)连接。因此，蒸发器32、热交换器50被排气气体所加热。另外，在排气通路64的后级安装有排气切断阀62C。排气切断阀62C通常开放排气通路64，但是在燃料电池系统10的停止控制的最终阶段封闭排气通路64。此外，在排气燃烧器58中安装有对排气燃烧器58(燃烧用的催化剂)的温度进行测定的温度传感器76C。

DC-DC转换器68与燃料电池堆12连接，将燃料电池堆12的输出电压升高来向蓄电池70或驱动马达72供给电力。蓄电池70被充入从DC-DC转换器68供给的电力，并且向驱动马达72供给电力。驱动马达72经由逆变器(未图示)来与蓄电池70及DC-DC转换器68连接，是车辆的动力源。另外，在车辆的制动时，驱动马达72产生再生电力，能够使该再生电力充入到蓄电池70中。此外，在将燃料电池堆12与DC-DC转换器68连接的布线上连接有电压计74，电压计74(电压检测部)对燃料电池堆12的电压(开路电压)进行测定。

控制部78由包括微型计算机、微型处理器、CPU的通用的电子电路和周边设备构成，通过执行特定的程序来执行用于控制燃料电池系统10的处理。另外，控制部78能够进行构成燃料电池系统10的结构要素的驱动/停止控制(开启(ON)/关闭(OFF)控制)。如后所述，作为由控制部78进行的燃料电池系统10的控制，存在对燃料电池堆12进行暖机的暖气控制、进行通常的发电的通常发电控制、使系统停止的停止控制。另外，控制部78能够对节气门28A(和节气门28B、28C)的开度进行控制来控制重整用燃料的供给量(流量)，对节气门28B、28C的开度进行控制来控制燃烧用燃料的供给量。并且，控制部78能够对节气门46A的开度进行控制来控制阴极气体的供给量，对节气门46B的开度进行控制来控制重整用空气的供给量。

[燃料电池系统的暖机控制]

以驾驶员的点火器开启操作(使车辆钥匙开启的操作)为契机来开始燃料电池系统10的暖机控制。通过从启动燃烧器52向燃料电池堆12供给燃烧气体来进行暖机，从而进行暖机控制。但是，此时，关于燃烧气体的氧分压，为了使燃烧气体的温度为燃料电池堆12的耐热温度以下，而需要思考阴极气体与燃烧用燃料的供给的比例、即空气过剩率λ。

空气过剩率λ(后述的λ0、λ1)能够定义为取决于(阴极气体的供给量)/(燃烧用燃料的供给量)的值。当思考向启动燃烧器52供给的阴极气体的供给量以及能够利用该供给量的阴极气体来燃烧的燃烧用燃料的最大的供给量时，空气过剩率λ为1。空气过剩率λ为1时燃烧气体中的氧分压为零，燃烧气体的温度最高。但是，空气过剩率λ相比于1越大，氧分压越大，反之燃烧气体的温度越下降。

因此，当思考用于实现具有使燃烧气体的温度为燃料电池堆12的耐热温度的氧分压的燃烧气体的空气过剩率λt时，暖机控制时的空气过剩率λ0的适当范围为1<λt≤λ0。此外，用于实现避免燃料电池堆12的阴极电极劣化的氧分压的后述的空气过剩率λa小于λt，因此在暖机控制中不需要考虑λa。

在暖机控制结束后，结束由启动燃烧器52进行的燃烧气体的生成，通过了热交换器50、启动燃烧器52的空气继续被用作阴极气体来被供给到燃料电池堆12，转变为通常发电控制。

[燃料电池系统的暖机控制的过程]

按照图2来说明表示第一实施方式的燃料电池系统的暖机控制的过程的流程图。

如图2所示，首先，当系统开始暖机控制时，在步骤S101中，控制部78使压缩机40开启，使节气门46A开启。由此，规定供给量的阴极气体流通到通路42A。另外，在步骤S101中，控制部78使流路切断阀62B闭合，封闭通路26D。

在步骤S102中，控制部78基于根据节气门46A的开度计算出的阴极气体的供给量以及空气过剩率λ0，来计算燃烧用燃料供给量。

在步骤S103中，控制部78使泵24、节气门28B、启动燃烧器52开启，并且与燃烧用燃料供给量对应地控制节气门28B的开度。由此，在启动燃烧器52中生成空气过剩率λ0的阴极气体与燃烧用燃料的混合气体，启动燃烧器52点着该混合气体，由此供给燃料电池堆12的耐热温度以下的燃烧气体(包含氧)，由此，燃料电池堆12被暖机(加热)。然后，通过了燃料电池堆12的燃烧气体经由通路42D到达排气燃烧器58，对排气燃烧器58进行加热。另外，通过从该燃烧气体的热传递，处于绝热构件30内的热交换器34、重整器36等结构要素被加热。并且，通过了燃料电池堆12的燃烧气体通过通路42D被导入到排气燃烧器58，通过了排气燃烧器58的燃烧气体(排气气体)通过排气通路64而在蒸发器32、热交换器50中通过从而对它们进行加热。

在步骤S104中，控制部78使节气门28C开启来以规定开度向排气燃烧器58供给燃烧用燃料。由此，在排气燃烧器58中通过燃烧用燃料与燃烧气体(包含氧)的催化剂反应来进一步加热，该热被传递到热交换器34等。此外，通过催化剂反应而生成的排气气体通过排气通路64而在蒸发器32、热交换器50中通过从而对它们进行加热。

在步骤S105中，控制部78根据温度传感器76C所测定的温度，来判断排气燃烧器58的温度是否已达到能够进行催化剂燃烧的温度。当在步骤S105中控制部78判断为“是”时，在步骤S106中，控制部78使节气门28C关闭，停止向排气燃烧器58的燃烧用燃料的供给。由此，以后，排气燃烧器58继续被燃烧气体所加热。

在步骤S107中，控制部78根据温度传感器76A所探测的温度，来判断燃料电池堆12的温度是否已达到作为能够发电的温度的下限的可发电温度。

在此，原本需要对蒸发器32、热交换器34、重整器36也进行是否已达到用于良好地对重整用燃料进行重整的适当温度的判断，但是在它们达到适当温度的时间比燃料电池堆12的温度达到可发电温度的时间早的情况下不需要该判断。

在步骤S107中控制部78判断为“是”的情况下，在步骤S108中，控制部78使节气门28B和启动燃烧器52关闭来停止燃烧气体的生成。另外，在步骤S108中，控制部78使流路切断阀62B打开来开放通路26C，并且使节气门28A和节气门46B开启来开放通路26A。

由此，重整用燃料以与节气门28A的开度相符的规定供给量从燃料罐20经喷射器29A、蒸发器32到达热交换器34。另外，与节气门46B的开度相符的规定供给量的重整用空气被供给到热交换器34来与重整用燃料混合。然后，该混合气体被导入到重整器36来被重整为阳极气体(燃料气体)，该阳极气体被供给到燃料电池堆12(阳极)。另一方面，继续从通路42A供给阴极气体并且在热交换器50中进行加热，作为阴极气体(氧化气体)供给到燃料电池堆12。然后，在燃料电池堆12中阳极气体与阴极气体的电化学反应开始，由此暖机控制结束，转变为发电控制。此外，切断阀62处于打开，因此能够使通过了燃料电池堆12的阳极排气通过通路26C导入到排气燃烧器58。

[燃料电池系统的通常发电控制时的动作]

接着，说明燃料电池系统10的通常发电控制时的动作。在系统的通常发电控制时，首先，利用蒸发器32使从燃料罐20供给的重整用燃料汽化，汽化后的重整用燃料与规定供给量的重整用空气混合后被热交换器34加热，加热后的重整用燃料与重整用空气的混合气体在重整器36中被重整为阳极气体，该阳极气体被供给到燃料电池堆12的阳极。另一方面，阴极气体被热交换器50加热，通过启动燃烧器52后被供给到燃料电池堆12的阴极。

在被供给了阳极气体和阴极气体的燃料电池堆12中，通过电化学反应来产生电动势从而向DC-DC转换器68供给电力，并且，在电化学反应中使用后的阳极排气和阴极排气被导入到排气燃烧器58。然后，排气燃烧器58将阳极排气、阴极排气以混合的状态燃烧来生成排气气体，该排气气体在蒸发器32和热交换器50中通过来对它们进行加热。

在车辆的运转中，阳极气体的供给量(节气门28A、节气门46B的开度)以及阴极气体的供给量(节气门46A的开度)以与系统(蓄电池70、驱动马达72)所要求的电力大致成正比的形式大致直线地变化。但是，燃料电池堆12需要用于维持燃料电池堆12能够发电的状态的电力、即用于使泵24、压缩机40等辅机类工作的电力。因此，即使对燃料电池堆12的要求电力为零，燃料电池堆12也至少发出用于使前述的辅机类工作的电力。

[燃料电池系统的停止控制]

由控制部78(停止控制部)来进行第一实施方式的燃料电池系统10的停止控制，以车辆停止后驾驶员对点火器进行关闭操作(使车辆钥匙关闭的操作)、蓄电池70变为满充电而停止对燃料电池堆12的发电要求为契机，来开始第一实施方式的燃料电池系统10的停止控制。

本实施方式的燃料电池系统10的停止控制的主要目的在于使燃料电池堆12的开路电压(电压)在停止时下降至容许的电压。容许的电压是比在燃料电池系统10停止时要求的放电要求电压(例如60V)低、且比能够避免燃料电池堆12的阴极电极劣化的电压高的电压(后述的目标电压)，是即使接触人体也安全的电压。

燃料电池堆12的开路电压取决于阴极与阳极的氧分压差。另外，在燃料电池堆12的发电停止时，阴极的氧分压与空气大致相同，但是阳极的氧分压大致为零。因此，为了使开路电压下降，只要使阴极的氧分压下降即可。能够通过向阴极供给在暖机控制中使用的燃烧气体来使阴极的氧分压减少。但是，当阴极的氧分压变为规定值以下时，存在阴极电极发生缺气而劣化(构造变换)的情况。

因此，通过停止阳极气体的供给并利用启动燃烧器52将燃烧气体供给到燃料电池堆12的阴极，来进行本实施方式的停止控制。此外，在停止控制中，通过使DC-DC转换器68关闭来使燃料电池堆12的发电停止，避免伴随发电的发热。

与上述燃烧气体相关联地，思考用于实现能够避免燃料电池堆12的阴极电极劣化的下限的氧分压的空气过剩率λa以及用于实现燃料电池堆12的开路电压为放电要求电压时的氧分压的空气过剩率λb。这样，燃烧气体的空气过剩率λ1的适当范围为1<λa≤λ1<λb。其中，λa取决于燃料电池堆12(阴极电极)的温度T，为λa(T)。因而，燃烧气体的空气过剩率λ1的适当范围根据温度T而变化，为1<λa(T)≤λ1(T)<λb。λa(T)有随着燃料电池堆12的温度上升而变大的倾向。因此，在不供给阳极气体、而向阴极供给燃烧气体的情况下，燃料电池堆12的开路电压在能够避免阴极电极劣化的下限的氧分压时表现出的电压值为容许的下限值V(λa(T))，但是燃料电池堆12的温度越高则该下限值V(λa(T))越高。此外，停止控制开始时的燃料电池堆12的温度T取决于通常发电控制即将结束时的燃料电池堆12的发电量等。

因此，对于燃料电池堆12的温度T，需要设定目标电压V以避免前述的开路电压低于前述的下限值V(λa(T))。在此，目标电压V作为V(λ1(T))来被计算为温度T的函数，并且，优选设为无论在哪一个温度T下都稍高于前述的下限值V(λa(T))的值。

另外，当与燃烧气体相关联地思考向启动燃烧器52供给的燃料的供给量Fcf时，该供给量Fcf取决于向阴极供给的阴极气体的供给量Fcc、燃料电池堆12的温度T、空气过剩率λ1，Fcf＝y(λ1(T)，Fcc)。在本实施方式中，优选的是，通过使压缩机40的输出和节气门46A的开度分别为最大，来使向启动燃烧器52供给的阴极气体的供给量为最大值Fccmax，在该情况下，Fcf＝y(λ1(T)，Fccmax)。由此，能够将供阴极气体流通的通路42A、42D立即替换为规定的氧浓度的燃烧气体，并且能够使燃料电池堆12的开路电压迅速下降。

在燃料电池堆12的开路电压下降至目标电压V(λ1(T))的情况下，只要如下即可：分别使泵24、压缩机40关闭，使给气切断阀62A和排气切断阀62C闭合，之后使燃料电池堆12通过散热来自然冷却。

[燃料电池系统的停止控制的过程]

按照图3的流程图来说明第一实施方式的燃料电池系统10的停止控制的过程。当系统开始停止控制时，在步骤S201中，控制部78(停止控制部)使节气门28A(重整用燃料供给部)、节气门46B(重整用空气供给部)、DC-DC转换器68关闭，使流路切断阀62B闭合。由此，阳极气体的供给停止，因此燃料电池堆12的发电停止。另外，通过使DC-DC转换器68关闭，燃料电池堆12与蓄电池70和驱动马达72电绝缘，燃料电池堆12的正极和负极被开路。并且，能够通过使流路切断阀62B闭合来阻止包含氧的气体经由通路26D反流，从而保护阳极电极。

在步骤S202中，控制部78判断电压计74测定出的燃料电池堆12的开路电压是否为放电要求电压以上。在步骤S202中判断为“是”的情况下，转变为下一个步骤S203，在判断为“否”的情况下，转变为后述的步骤S209。

在步骤S203中，控制部78根据由温度传感器76A测定出的燃料电池堆12的温度(内部温度)来计算空气过剩率λ1(T)。在步骤S204中，控制部78基于空气过剩率λ1(T)来设定燃料电池堆12的开路电压的目标电压V(λ1(T))。

在步骤S205中，控制部78为了使阴极气体的供给量Fcc为规定量(最大)而将节气门46A控制为规定开度(最大)。在步骤S206中，控制部78基于阴极气体供给量Fcc(节气门46A的开度)和空气过剩率λ1来计算燃烧用燃料供给量Fcf。

在步骤S207中，控制部78使节气门28B和启动燃烧器52开启，并且与加热量燃料供给量Fcf对应地控制节气门28B的开度。由此，在启动燃烧器52中，生成空气过剩率λ1(T)的燃烧气体，该燃烧气体通过通路42A被供给到燃料电池堆12的阴极。然后，阴极处的氧分压下降，燃料电池堆12的开路电压逐渐向目标电压V(λ1(T))下降。另外，控制部78生成燃烧气体，由此燃烧气体在通路42A、燃料电池堆12、通路42D、排气通路64中流通。

在步骤S208中，控制部78判断由温度传感器76A测定的燃料电池堆12的温度是否上升至规定温度以上。在步骤S208中判断为“是”的情况下，在步骤S209中，使阴极气体供给量Fcc和燃烧用燃料供给量Fcf以规定的比例(使两者以相同的比例)减少，在维持燃烧气体的氧分压的同时使提供到燃料电池堆12的热量下降，使燃料电池堆12的温度下降至至少比规定温度低的温度。此外，也可以基于后述(第二实施方式)的散热量Q(T-Tc)来决定阴极气体供给量Fcc和燃烧用燃料供给量Fcf。另一方面，在步骤S209中判断为“否”的情况下，原样地维持阴极气体供给量Fcc和燃烧用燃料供给量Fcf。

在步骤S210中，控制部78判断由电压计74测定出的燃料电池堆12的开路电压是否下降至目标电压V(λ1(T))，在判断为“是”的情况下，转变为下一个步骤S211，在判断为“否”的情况下返回到步骤S208。

以后，控制部78在步骤S211中使压缩机40、泵24以及启动燃烧器52关闭，在步骤S212中使给气切断阀62A和排气切断阀62C闭合，由此停止控制结束。此时，通路42A、燃料电池堆12、通路42D、排气通路64被保持气密，处于大致维持燃烧气体的氧分压的状态，之后，燃料电池堆12被自然冷却。

此外，也可以是，在上述停止控制中，使节气门28A、节气门46B保持开启，保持向燃料电池堆12供给阳极气体。在该情况下，在步骤S201中，流路切断阀62B事先保持为打开。另外，虽然向燃料电池堆12的阳极供给阳极气体，但是由于使DC-DC转换器68关闭，因此燃料电池堆12不会发电(供给电力)。另一方面，在步骤S207以后，导入到排气燃烧器58的燃烧气体与阳极气体被混合，使其燃烧而成为排气气体。但是，在前述的步骤S212中，通过使流路切断阀62B闭合，排气燃烧器58中的燃烧也停止。

图4是表示利用放电电路使燃料电池堆的开路电压下降时的变化的图。

图5是表示利用燃烧气体使燃料电池堆的开路电压下降时的变化的图。如图4所示，在通常发电控制结束后，在停止控制开始时(时刻t0)燃料电池堆12的开路电压为放电要求电压V1(例如60V)以上的情况下，在停止控制中使燃料电池堆12的开路电压下降。

如图4所示，当使用放电电路来使开路电压下降时，消耗阴极电极周围的氧，阴极电极周围的氧浓度下降。在与燃料电池堆12的阴极连接的通路中残留高分压的氧，但是该氧扩散至阴极电极要耗费一定的时间。由此，燃料电池堆12的开路电压与能够避免因阴极电极的缺气引起的劣化的下限的电压V(λa(T))无关，开路电压会下降至V(λa(T))以下，阴极电极会劣化。

但是，如图5所示，在本实施方式中，使具有规定的氧分压的燃烧气体在燃料电池堆12的阴极以及向阴极供给阴极气体的通路中流通。该燃烧气体能够设定成具有用于实现比V(λa(T))稍高的目标温度V(λ1(T))的空气过剩率λ1(T)。因此，能够在避免阴极电极劣化的同时使燃料电池堆12的开路电压收敛于比V(λa(T))稍高的值。

[第一实施方式的燃料电池系统的效果]

根据本实施方式所涉及的燃料电池系统10，具备控制部78(停止控制部)，该控制部78进行以下控制来作为燃料电池堆12(燃料电池)的停止控制：使来自节气门46A(阴极气体供给部)的阴极气体供给量为规定量(最大)；以及从节气门28B(燃料供给部)供给与阴极气体供给量对应的供给量的燃烧用燃料(燃烧)。即，根据本实施方式所涉及的燃料电池系统10及其控制方法，作为燃料电池堆12(燃料电池)的停止控制，向配置于燃料电池堆12的通路42A(阴极气体供给线路)的启动燃烧器52(燃烧器)供给燃烧用燃料(燃料)和阴极气体来生成燃烧气体，将燃烧气体供给到燃料电池堆12(燃料电池)，并且，使阴极气体供给量为规定量，且向启动燃烧器52(燃烧器)供给与阴极气体供给量对应的供给量的燃烧用燃料(燃料)。由此，使具有规定的氧分压的燃料气体在燃料电池堆12的阴极以及与阴极连通的通路中流通，因此不使阴极电极劣化就能够在短时间内使燃料电池堆12的开路电压收敛至目标电压V。

在燃料电池堆12的开路电压(电压)为放电要求电压以上的情况下，控制部78(停止控制部)进行停止控制。由此，如果停止控制开始时的开路电压低于放电要求电压，则不需要进行停止控制，因此能够削减相应的燃烧用燃料的消耗量。

具备安装于通路42(阴极气体供给线路)的给气切断阀62A以及安装于排出来自燃料电池堆12(燃料电池)的排气气体的排气通路64(排气线路)的排气切断阀62C，在燃料电池堆12(燃料电池)的开路电压(电压)下降至比放电要求电压低的规定的目标电压V时，控制部78(停止控制部)进行泵24(燃料供给部)的停止、压缩机40(阴极气体供给部)的停止、给气切断阀62A和排气切断阀62C的封闭。由此，在停止控制后，阴极和阳极的气密被保持而能够维持氧分压，因此在之后的燃料电池堆12的自然冷却时也能够避免阴极电极和阳极电极的劣化。

具备对燃料电池堆12(燃料电池)的温度进行估计或检测的温度传感器76A(温度检测部)，在燃料电池堆12(燃料电池)的温度上升为规定温度以上时，控制部78(停止控制部)使阴极气体和燃烧用燃料(燃料)的供给量减少。由此，能够避免停止控制时的燃料电池堆12的温度上升。

规定温度被设定为燃料电池堆12(燃料电池)的耐热温度。由此，能够避免燃料电池堆12破损。

控制部78(停止控制部)使来自节气门46A(阴极气体供给部)的阴极气体供给量最大。由此，能够将燃烧气体迅速地供给到燃料电池堆12的阳极以及与阳极连接的通路26A、26D，使燃料电池堆12的开路电压迅速地下降。

控制部78(停止控制部)基于与燃料电池堆12(燃料电池)的温度对应的空气过剩率λ1(T)来控制燃烧用燃料(燃料)的供给量。由此，能够与燃料电池堆12的温度对应地设定开路电压的目标温度V(λ1(T))。

以使在启动燃烧器52(燃烧器)中生成并向燃料电池堆12(燃料电池)供给的燃烧气体中的氧分压为能够避免燃料电池堆12(燃料电池)的阴极电极发生缺气的下限分压以上的方式设定空气过剩率λ1(T)。由此，能够与燃料电池堆12的温度对应地将开路电压的目标温度V(λ1(T))设定为避免阴极电极劣化的开路电压的下限值V(λa(T))附近。

以使在启动燃烧器52(燃烧器)中生成并向燃料电池堆12(燃料电池)供给的燃烧气体的氧分压为燃料电池堆12(燃料电池)的开路电压(电压)变得低于放电要求电压时的氧分压的方式设定空气过剩率λ1(T)。由此，能够利用燃烧气体来可靠地使燃料电池堆12的开路电压至少比放电要求电压V1低。

[第二实施方式的停止控制]

第二实施方式以及以后的实施方式的基本结构、暖气控制、通常发电控制与第一实施方式共同，但是在停止控制上与第一实施方式不同。

在停止控制中，燃料电池堆12散热，而其散热量Q随着燃料电池堆12的温度T与由温度传感器76C测定的燃料电池堆12的周围温度Tc之差变大而变大，能够表示为Q(T-Tc)。

因此，在进行停止控制的情况下，优选的是，将向阴极供给的阴极气体的供给量Fcc、向阴极供给的燃烧用燃料的供给量Fcf分别设为Fcc[Q(T-Tc)]、Fcf[Q(T-Tc)]，取决于Q(T-Tc)来调整各供给量，使得燃烧气体与阳极气体的总热量不大于燃料电池堆12的散热量，避免燃料电池堆12的温度上升。

例如，只要如下即可：在Q(T-Tc)变为规定值以下的情况下将各供给量设定为以相同比例变小的规定量，或者与Q(T-Tc)的减少量成正比地，使各供给量以相同的比例减少，在分别维持阳极和阴极的氧分压的同时使燃烧气体和阳极气体的总热量变小。

[第二实施方式的停止控制的过程]

按照图6的流程图来说明第二实施方式的燃料电池系统的停止控制的过程。在第二实施方式中，基于燃料电池堆12的散热量来调整燃烧气体的供给量，在这一点上与第一实施方式不同。此外，在以后的说明中，除了必要的情况以外，省略与第一实施方式之间控制共同的部分的说明。

当系统开始停止控制时，与前述的第一实施方式同样地，执行步骤S201、步骤S202、步骤S203、步骤S204。

在步骤S204之后，在步骤S205a中，根据温度传感器76A所测定的燃料电池堆12的温度(内部温度)与温度传感器76B所测定的燃料电池堆12的周围温度Tc之差来计算燃料电池堆12的散热量Q(T-Tc)。

在步骤S206a中，控制部78根据散热量Q(T-Tc)和空气过剩率λ1(T)来计算阴极气体供给量Fcc和燃烧用燃料供给量Fcf。

在步骤S207a中，控制部78与阴极气体供给量Fcc对应地控制节气门46A的开度，另外，使节气门28B和启动燃烧器52开启，并且与燃烧用燃料供给量Fcf对应地控制节气门28B的开度。

由此，与前述同样地，空气过剩率λ1(T)的燃烧气体在通路42A、燃料电池堆12、通路42D、排气通路64中流通，燃料电池堆12的开路电压向目标电压V(λ1(T))逐渐下降。之后，省略前述的步骤S208、步骤S209，转变为步骤S210。

[第二实施方式的效果]

在第二实施方式中，具备对燃料电池堆12(燃料电池)的温度进行估计或检测的温度传感器76A(温度检测部)以及对燃料电池堆12(燃料电池)的周围温度进行检测的温度传感器76B(周围温度检测部)。而且，控制部78(停止控制部)基于燃料电池堆12(燃料电池)的温度以及根据所述周围温度运算出的燃料电池堆12的散热量来控制阴极气体的供给量和燃烧用燃料(燃料)的供给量。由此，在停止控制中能够避免燃料电池堆12的温度上升。

[第三实施方式的停止控制]

在第三实施方式中，主要着眼点在于，在停止控制中继续阳极气体的供给，使阳极气体含有规定的分压的氧来减小燃料电池堆12的阴极与阳极的氧分压差，由此减小燃料电池堆12的开路电压，并且对阳极气体中的氧分压进行控制来避免阳极电极劣化。

如前所述，燃料电池堆12的开路电压取决于阴极与阳极之间的氧分压差。因此，为了使开路电压下降，能够通过使阴极的氧分压下降和/或使阳极的氧分压上升来使开路电压下降。能够通过向阴极供给在暖机控制中使用的燃烧气体来使阴极的氧分压减少。为了使阳极的氧分压上升，只要使向重整器36等供给的重整用空气的供给量增加即可。

在此，燃料电池堆12的阳极处的空气过剩率λ(后述的λ2)能够定义为取决于(重整用空气的供给量)/(重整用燃料的供给量)的值。在思考了向重整器36供给的重整用空气的供给量以及能够利用该供给量的重整用空气(氧)进行重整的重整用燃料的最大的供给量时，空气过剩率λ为1。空气过剩率λ为1时阳极气体中的氧分压为零，随着相比于1变大，氧分压上升。

燃料电池堆12的阳极电极当暴露于规定的氧分压环境时劣化(氧化)。而且，避免阳极的电极劣化的氧分压的上限根据温度而发生变化，描绘出当超过规定温度(劣化反应温度)时急剧地减少的曲线。因此，在停止控制时，当思考燃料电池堆12的阳极处的空气过剩率λ2(T)、用于实现避免阳极劣化的氧分压的空气过剩率λc(T)时，1≤λ2(T)≤λc(T)。

在本实施方式中，通过控制使供给重整用空气的节气门46B的开度最大时的、供给重整用燃料的节气门28A的开度来进行空气过剩率λ2(T)，。此时，根据向阳极供给的阴极气体的供给量Facmax，向阳极供给的重整用燃料的供给量Faf为Faf(λ2(T)，Facmax)。通过将流过阴极的阴极气体、流过阳极的重整用空气分别设为最大供给量，能够使燃料电池堆12的开路电压迅速地下降。

在进行本实施方式的停止控制的情况下，在阳极气体中存在规定的分压的氧，因此上述目标电压V例如能够思考为V(λ1(T)-λ2(T)+1)的函数。即，如果λ1(T)＝λ2(T)，则阴极与阳极的氧分压差消失，因此能够设定为V(1)＝0。

在燃料电池堆12的开路电压下降至目标电压V(λ1(T)-λ2(T)+1)的情况下，只要如下即可：分别使泵24、压缩机40关闭，使给气切断阀62A和排气切断阀62C闭合，之后使燃料电池堆12通过散热来自然冷却。

[第三实施方式的停止控制的过程]

按照图7的流程图来说明第三实施方式的燃料电池系统的停止控制的过程。当系统开始停止控制时，在步骤S201b中，控制部78使DC-DC转换器68关闭，停止燃料电池堆12的发电(电力供给)，但是使阳极气体和阴极气体的供给继续。

在步骤S202中控制部78判断为“是”的情况下，转变为步骤S203b，在判断为“否”的情况下转变为步骤S211。

在步骤S203b中，控制部78根据温度传感器76A所测定的燃料电池堆12的温度来计算在启动燃烧器52中生成的燃烧气体的空气过剩率λ1(T)和阳极气体的空气过剩率λ2(T)。

在步骤S204b中，控制部78根据λ1(T)和λ2(T)来设定目标电压V(λ1(T)-λ2(T)+1)，之后与第一实施方式同样地转变为步骤S205、步骤S206。

在步骤S206之后，在步骤S206b中，控制部78根据停止控制中的重整用空气供给量Fac的设定值(最大)和λ2(T)来计算重整用燃料供给量Faf。

在步骤S207b中，控制部78使节气门28B和启动燃烧器52开启，并且基于燃烧用燃料供给量Fcf(步骤S206)来控制节气门28B的开度。由此，与前述同样地空气过剩率λ1(T)的燃烧气体在通路42A、燃料电池堆12、通路42D、排气通路64中流通。

在步骤S207c中，控制部78基于重整用燃料供给量Faf来控制节气门28A的开度，基于重整用空气供给量Fac来控制节气门46B的开度。由此，阳极被供给空气过剩率λ2(T)的阳极气体，燃料电池堆12的开路电压向目标电压V(λ1(T)-λ2(T)+1)逐渐下降。另外，通过了燃料电池堆12的阳极气体在排气燃烧器58中与燃烧气体混合而燃烧，作为排气气体在排气通路64中流通。之后，转变为前述的步骤S208。

[第三实施方式的效果]

在第三实施方式中，具备供给要向燃料电池堆12(燃料电池)的阳极供给的重整用空气的节气门46B(空气供给部)，控制部78(停止控制部)使节气门46B(空气供给部)的重整用空气供给量最大。由此，能够供给具有规定的氧分压的阳极气体。

具备向燃料电池堆12(燃料电池)的阳极供给重整用燃料的节气门28A(重整用燃料供给部)以及对燃料电池堆12(燃料电池)的温度进行估计或检测的温度传感器76A(温度检测部)，控制部78(停止控制部)基于与燃料电池堆12(燃料电池)的温度对应的空气过剩率λ2(T)来控制重整用燃料供给量。由此，能够与燃料电池堆12的温度以及阴极同阳极的氧分压差对应地设定燃料电池堆12的开路电压的目标温度V(λ1(T)-λ2(T)+1)。

以使阳极中的氧分压为能够避免燃料电池堆12(燃料电池)的阳极电极发生劣化的上限氧分压以下的方式设定空气过剩率λ2。由此，能够在避免阳极劣化的同时与燃料电池堆12的阴极同阳极的氧分压差对应地使燃料电池堆12的开路电压下降。

在燃料电池堆12(燃料电池)的开路电压(电压)达到比放电要求电压低的目标电压V(λ1(T)-λ2(T)+1)时，控制部78(停止控制部)进行节气门28B(燃料供给部)的停止、节气门46A(阴极气体供给部)的停止、节气门28A的停止、节气门46B(空气供给部)的停止、给气切断阀62A和排气切断阀62C的封闭。由此，在停止控制后，阴极和阳极的气密被保持，能够分别维持阴极和阳极的氧分压，因此在之后的燃料电池堆12的自然冷却时也能够避免阴极电极和阳极电极发生劣化。

[第四实施方式的停止控制的过程]

按照图8的流程图来说明第四实施方式的燃料电池系统的停止控制的过程。在第四实施方式中，在第三实施方式的控制中，与第二实施方式同样地基于燃料电池堆12的散热量来调整燃烧气体和阳极气体的供给量。

在进行本实施方式的停止控制的情况下，优选的是，将向阴极供给的阴极气体的供给量Fcc、向阴极供给的燃烧用燃料的供给量Fcf、向阳极供给的重整用空气的供给量Fac、向阳极供给的重整用燃料的供给量Faf分别设为Fcc[Q(T-Tc)]、Fcf[Q(T-Tc)]、Fac[Q(T-Tc)]、Faf[Q(T-Tc)]，取决于Q(T-Tc)来调整各供给量，使得燃烧气体与阳极气体的总热量不大于燃料电池堆12的散热量，避免燃料电池堆12的温度上升。

当系统开始停止控制时，控制部78与第三实施方式同样地，依序执行步骤S201b、步骤S202、步骤S203b、步骤S204b，接着与第二实施方式同样地，执行步骤S205a、步骤S206a。

在步骤S206a之后，在步骤S206c中，控制部78根据散热量Q(T-Tc)和空气过剩率λ2(T)来计算重整用空气供给量Fac和重整用燃料供给量Faf。

在步骤S207d中，控制部78基于阴极气体供给量Fcc来控制节气门46A的开度，基于燃烧用燃料供给量Fcf来控制节气门28B的开度。在步骤S207e中，控制部78基于重整用空气供给量Fac来控制节气门46B的开度，基于重整用燃料供给量Faf来控制节气门28A的开度。根据步骤S207d和步骤S207e，与第三实施方式同样地，燃料电池堆12的开路电压向目标电压V(λ1(T)-λ2(T)+1)逐渐下降。之后，转变为前述的步骤S210。

[第四实施方式的效果]

在第四实施方式中，具备对燃料电池堆12(燃料电池)的温度进行估计或检测的温度传感器76A(温度检测部)以及对燃料电池堆12(燃料电池)的周围温度进行检测的温度传感器76B(周围温度检测部)。然后，控制部78(停止控制部)基于燃料电池堆12(燃料电池)的温度以及根据所述周围温度运算出的散热量来控制阴极气体的供给量、燃烧用燃料(燃料)的供给量、重整用空气的供给量、重整用燃料的供给量。由此，在停止控制中能够避免燃料电池堆12的温度上升。

在第二实施方式和第四实施方式中，基于燃料电池堆12的散热量Q(T-Tc)来控制燃烧气体、阳极气体的供给量，但是在尽管进行这种控制、燃料电池堆12的温度也上升至规定温度(耐热温度)以上的情况下，只要进行图3所示的步骤S208、步骤S209的控制即可。

无论在哪一个实施方式的停止控制中，目标电压V都被设定成比V(λa(T))稍高的值。因此，目标电压V取决于燃料电池堆12的温度来发生变化。但是，目标电压V只要处于V(λa(T))<V<V1(放电要求电压)的范围即可，能够任意地设定。例如，在将目标电压V设定为V(λa(T))与V1的中间域的电压的情况下，无论V(λa(T))的温度变动如何，V(λa(T))与目标电压V的大小关系都不发生变化。因此，在该情况下，能够将目标电压V固定为作为该中间域的规定电压值。然后，在燃料电池堆12的停止控制中，能够与燃料电池堆12的温度无关地将来自节气门46A的阴极气体供给量设为规定量(固定)，且从节气门28B供给与该阴极气体供给量对应的供给量(固定)的燃烧用燃料。即，能够将空气过剩率λ固定为不取决于燃料电池堆12的温度的规定值。该规定值既可以是使燃料电池堆12的开路电压收敛于目标温度V的值，也可以是使燃料电池堆12的开路电压收敛于比V(λa(T))高且比目标电压V低的规定电压的值。

以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不是将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体结构。

本申请基于2015年12月25日向日本专利局申请的特愿2015-254188要求优先权，通过参照将这些申请的全部内容引入本说明书中。