JP2005216618A - 発電システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力需要の少ない時でも、高い発電効率を有する発電システムを提供する。
【解決手段】発電部を有する燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置を具備するとともに、電力使用量が多い時間帯と少ない時間帯が存在する環境で使用される発電システムであって、前記電力使用量が少ない時間帯の発電部の動作温度を、前記電力使用量が多い時間帯の発電部の動作温度よりも低くしたことを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、発電部を有する燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを具備する発電システムの運転方法に関する。

従来、燃料電池からの電力を使用するに際して、その場所における電力需要にかかわらず、一定の発電量を発電する発電システム（例えば、特許文献１参照）、電力需要に追従して発電量を変化させて運転する発電システム（例えば、特許文献２参照）が存在した。
特開平６−３２５７７４号公報 特開平９−２２７１３号公報

例えば、燃料電池システムが家庭で使用される場合、図６に示すように、電力を非常に多く使用する朝食時間帯と夕食時間帯が存在し、一方で電力を殆ど使用しない夜中や昼間の時間帯が存在するが、電力需要にかかわらず、一定の発電量を発電する発電システムでは、電力を殆ど使用しない夜中や昼間では無駄な発電をすることになる。このため、使用する燃料ガスの量も多くなり、コストが高く、しかもＣＯ_２排出量も多くなるという問題があった。

一方、電力需要に追従して発電量を変化させて運転する発電システムでは、図７に示すように、発電量が多い場合には発電効率が高いものの、燃料電池の発電部の温度が、例えば１０００℃である場合には、夜中等の電力需要が少ない時、電力需要は少ないものの、燃料電池の発電部を１０００℃に維持する燃料ガスが必要となるため、発電量が低下するほど発電効率が低下し、発電量の割には使用する燃料が多くなるという問題があった。

本発明は、電力需要の少ない時でも、高い発電効率を有する発電システムの運転方法を提供することを目的とする。

本発明の発電システムの運転方法は、発電部を有する燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを具備するとともに、電力使用量が多い時間帯と少ない時間帯が存在する環境で使用される発電システムの運転方法であって、前記電力使用量が少ない時間帯の発電部の動作温度を、前記電力使用量が多い時間帯の発電部の動作温度よりも低くしたことを特徴とする。

このような発電システムの運転方法では、電力使用量が少ない時間帯において、発電部の動作温度を低くするため、発電部の動作温度を維持するための燃料ガス使用量が少なくなり、発電効率が高くなり、このため、燃料ガスの使用量が少なくなり、コストが低く、ＣＯ_２排出量も少なくなる。一方、発電部の動作温度が低くなるため発電量は少なくなるが、電力使用量が少ない時間帯では、要求される発電量も少ないため問題は生じない。

また、本発明の発電システムの運転方法は、電力使用量が少ない時間帯の発電部の動作温度は、電力使用量が多い時間帯の発電部の動作温度よりも１００℃以上低いことを特徴とする。このような発電ステムの運転方法では、さらに動作温度を維持するための燃料ガス使用量が少なくなり、発電効率をさらに高くすることができる。

さらに、本発明の発電システムの運転方法は、動作温度を低下させる時間帯は、３００Ｗ以下の電力使用量が１時間以上継続する場合であることを特徴とする。このような発電システムでは、低出力を判断し、発電効率をより高い状態へ制御するため、無駄な燃料ガスを消費しないですむ。

また、本発明の発電システムの運転方法は、燃料電池の排熱を利用して温水を供給する手段を有し、動作温度を低下させる時間帯は、３００Ｗ以下の電力使用量が１時間以上継続する場合で、かつ前記温水を使用しない場合であることを特徴とする。このような発電システムの運転方法では、電力使用量が少ない場合であっても、温水を使用する場合には動作温度が高いため、燃料電池からの排熱と水との熱交換を十分に行い、十分な温度、量の温水を使用することができる。

さらに、本発明の発電システムの運転方法は、発電部の動作温度を低下させる時間は、１日のうち一定時間帯に固定して設定されていることを特徴とする。このような発電システムは、複雑な学習機能を有することなく、生活パターンがほぼ決まっている家庭等において有効に用いることができる。

また、本発明の発電システムの運転方法は、一定期間内の低電力使用パターンを学習し、一定期間のうちの一定時間帯に動作温度を低下させることを特徴とする。このような発電システムでは、より細かな運転方法を採ることができ、燃料ガスを有効利用できる。

さらに、本発明の発電システムの運転方法は、動作温度を低下させる時間帯において、燃料電池の出力は一定であることを特徴とする、一定出力（任意の出力）で動作させるため、ベースロード運転となり、安定した電力を供給することができる。

また、本発明の発電システムの運転方法は、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置からの燃料ガス供給量を低下させ、動作温度を低下させることを特徴とする。このような発電システムの運転方法では、動作温度を制御する装置を別途設ける必要がなく、制御の簡素化と低コストが行える。

さらに、本発明の発電システムの運転方法は、動作温度を低下させる時間帯において、１００Ｗ以下の電力使用量が１時間以上継続する場合、又は１００〜３００Ｗの電力使用量が５時間以上継続する場合には、燃料電池の発電を停止させることを特徴とする。このような発電システムでは、発電コストの方が電力会社からの電力使用料金よりも高くなる傾向にあるため、上記のように停止させることにより、コストを削減できる。

さらに、本発明の発電システムの運転方法は、固体電解質型燃料電池を用い、分散型発電を行うことを特徴とする。固体電解質型燃料電池を用いるため、高効率の発電を行うことができ、さらには燃料がメタン、ＣＯ等も用いることができ、燃料処理部が簡素化でき、低コストの分散型発電を行うことが可能となる。

本発明の発電システムの運転方法では、電力使用量が少ない時間帯において、発電部の動作温度を低くするため、発電部の動作温度を維持するための燃料ガス使用量が少なくなり、発電効率が高くなり、このため、燃料ガスの使用量が少なくなり、コストが低く、ＣＯ_２排出量も少なくなる。一方、発電部の動作温度が低くなるため発電量は少なくなるが、電力使用量が少ない時間帯では、要求される発電量も少ないため問題は生じない。

本発明の発電システムは、発電部を有する燃料電池（以下、燃料電池組立体ともいう）と、該燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを具備するものである。

（燃料電池組立体）
燃料電池組立体は図１、２及び図３を参照して説明すると、略直方体形状のハウジング２を具備している。このハウジング２の６個の壁面の外面には適宜の断熱材から形成された断熱壁（遮熱部材）、即ち上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁９、前断熱壁１０及び後断熱壁１１が配設されている。ハウジング２内には発電・燃焼室１２が規定されている。

前断熱壁１０及び／又は後断熱壁１１は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁１０及び／又は後断熱壁１１を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室１２内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。

ハウジング２内の上端部には空気室（ガス室）１６が配設されている。空気室１６は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１７内に規定されている。空気室１６には、発電・燃焼室に向かって空気（酸素含有ガス）を送り込むための空気導入管（ガス供給手段）２２の上端が連通している。空気導入管２２は複数本あり、その形状は円筒や中空板構造などが考えられる。図１、２では円筒の空気導入管２２を記載した。空気導入管２２は後述するセルスタック間に配置されており、セルの下端部において開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気導入管２２はセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。

そして、空気室１６には、低温ガス供給管１８が設けられており、この低温ガス供給管１８は、上断熱壁４を貫通し、外部に延設されている。

この低温ガス供給管１８は、空気室１６内に供給されるガスと同一種、即ち、低温の空気を空気室１６内に供給するものであり、低温ガス供給管１８により供給される空気は、予熱された空気の温度よりも低温である必要がある。特には、室温程度が望ましい。

低温ガス供給管１８は、図２に示すように、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ、即ち、燃料電池セル集合体の中央部を冷却するような空気室１６の位置に接続されている。言い換えれば、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ間に配設された空気導入管２２のケース１７側板への開口部集合体中央に対して、対向するケース１７側板の位置に開口するように低温ガス供給管１８が設けられている。

ハウジング２の両側部、更に詳しくは右側断熱壁８の内側及び左側断熱壁９の内側には、全体として平板形状である熱交換器２４が配設されている。熱交換器２４の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース２６から構成されている。

かかるケース２６内にはその横方向中間に位置する仕切板２８が配設されており、ケース２６内は内側に位置する排出路３０と外側に位置する流入路３２とに区画されている。排出路３０内には上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁３４及び３６が配置されている。更に詳述すると、排出路３０内には、その前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３４と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁３６とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路３０はジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

同様に、流入路３２内にも上下方向に間隔をおいて３枚の仕切壁３８及び４０、即ちその前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３８と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁４０とが交互に配置されており、かくして流入路３２もジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

ケース２６の内側壁の上端部には排出開口４２が形成されており、排出路３０は排出開口４２を介して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器２４の各々の発電・燃焼室１２側、即ち、燃料電池セル側、及び燃料電池セルの上下には、蓄熱材からなる蓄熱壁（遮熱部材）が配置されている。即ち右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂ、前蓄熱壁４４ｃ及び後蓄熱壁４４ｄ、下蓄熱壁４４ｅ、上断熱壁４４ｆが、セル集合体を取り囲むように配設されている。かかる右側蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂの上部には、排出開口４２の下縁と実質上同高に位置して開口する開口部４５が形成されており、排出開口４２は開口部４５を通して発電・燃焼室１２に連通せしめられている。

ハウジング２の６個の壁面の外面に形成された断熱壁４、６、８、９、１０、１１は、アルミナ／シリカ系の汎用断熱材から形成されており、セル集合体を取り囲むように形成された蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆは、密度が前記断熱材４、６、８、９、１０より大きいアルミナ純度の高い断熱材から形成されている。断熱壁４、６、８、９、１０、１１と蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆは同一材料から形成されていても良いが、蓄熱材の密度は断熱材よりも大きいことが望ましい。断熱壁４、６、８、９、１０、１１の密度は０．２６ｇ／ｃｍ^３以下、蓄熱壁４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆの密度は０．３２ｇ／ｃｍ^３以下で、両者の熱伝導率は０．１〜０．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることが望ましい。

ケース２６の上壁における外側部には流入開口４８が形成されており、流入路３２はかかる流入開口４８を介して空気室１６に連通せしめられている。熱交換器２４、流入開口４８は、ガス供給流路を構成している。流入路３２の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体５０（図１にその上端部のみを図示している）が配設されており、かかる二重筒体５０は外側筒部材５２と内側筒部材５４とから構成されている。排出路３０の下端部は外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路３２の下端部は内側筒部材５４内に規定されている流入路に接続されている。

而して、図示の燃料電池組立体における上述したとおりの構成は、本出願人の出願にかかる特願２００３−２９５７９０号の明細書及び図面に開示されている燃料電池組立体と実質上同一であるので、上述した構成の詳細については上記特願２００３−２９５７９０号の明細書及び図面に委ね、本明細書においては説明を省略する。

上述した発電・燃焼室の下部には４個の発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄが配置されている。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄは、夫々、上述した空気導入管２２間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ間に、空気導入管２２が配設されている。図１、２と共に、図３、４を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは前後方向（図１において紙面に垂直な方向）に細長く延びる直方体形状の燃料ガスケース５８ａを具備している。

燃料ガス室を規定している燃料ガスケース５８ａの上面上にはセルスタック６０ａが装着されている。セルスタック６０ａは上下方向に細長く延びる直立セル６２を燃料ガスケース５８ａの長手方向（即ち前後方向）に複数個縦列配置して構成されている。図５に明確に図示する如く、セル６２の各々は電極支持基板６４、内側電極層である燃料極層６６、固体電解質層６８、外側電極層である酸素極層７０、及びインターコネクタ７２から構成されている。

電極支持基板６４は上下方向に細長く延びる柱状の板状片であり、その断面形状は平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板６４にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は６個）の燃料ガス通路７４が形成されている。電極支持基板６４の各々は燃料ガスケース５８ａの上壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。

燃料ガスケース５８ａの上壁には図１において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット（図示していない）が形成されており、電極支持基板６４の各々に形成されている燃料ガス通路７４がスリットの各々に従って燃料ガス室に連通せしめられる。

インターコネクタ７２は電極支持基板６４の片面（図５のセルスタック６０ａにおいて上面）上に配設されている。燃料極層６６は電極支持基板６４の他面（図５のセルスタック６０ａにおいて下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。固体電解質層６８は燃料極層６６の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。酸素極層７０は、固体電解質層６８の主部上、即ち電極支持基板６４の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板６４を挟んでインターコネクタ７２に対向して位置せしめられている。

セルスタック６０ａにおける隣接するセル６２間には集電部材７６が配設されており、一方のセル６２のインターコネクタ７２と他方のセル６２の酸素極層７０とを接続している。セルスタック６０ａの両端、即ち図５において上端及び下端に位置するセル６２の片面及び他面にも集電部材７６が配設されている。セルスタック６０ａの両端に位置する集電部材７６には電力取出手段（図示していない）が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング２の前断熱壁１０、後断熱壁１１、または下断熱材６を通してハウジング２外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄを相互に直列接続し、４個のセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。

セル６２について更に詳述すると、電極支持基板６４は燃料ガスを燃料極層６６まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ７２を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。

燃料極層６６及び／又は固体電解質層６８との同時焼成によりセル６２を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板６４を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｃ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

燃料極層６６は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層６８は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成されている。

酸素極層７０は所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層７０はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ７２は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ７２は電極支持基板６４に形成された燃料ガス通路７４を通る燃料ガス及び電極支持基板６４の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。

集電部材７６は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。

図４を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは、セルスタック６０ａの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状（或いは円筒形状）であるのが好都合である改質ケース７８ａも具備している。改質ケース７８ａの前面には燃料ガス送給管８０ａの一端即ち上端が接続されている。

燃料ガス送給管８０ａは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管８０ａの他端は上記燃料ガスケース５８ａの前面に接続されている。改質ケース７８ａの後面には被改質ガス供給管８２ａの一端が接続されている。被改質ガス供給管８２ａは改質ケースから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出している。

被改質ガス供給管８２ａは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源（図示していない）に接続されており、被改質ガス供給管８２ａを介して改質ケース７８ａに被改質ガスが供給される。改質ケース７８ａ内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。

図示の実施形態においては、改質ケース７８ａは燃料ガス送給管８０ａを介して燃料ガスケース５８ａに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図４に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管８２ａの下面と燃料ガスケース５８ａの後端部下面或いは後面との間に適宜の支持部材８４ａを付設することもできる。

図３において説明すると、発電ユニット５６ｃは上述した発電ユニット５６ａと実質上同一であり、発電ユニット５６ｂ及び５６ｄは、発電ユニット５６ａ及び５６ｃに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質ケース７８ｂ及び７８ｄと燃料ガスケース５８ｂ及び５８ｄとを接続する燃料ガス送給管（図示していない）が後側に配置され、被改質ガス供給管８２ｂ及び８２ｄが改質ケースから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出している。

上述したとおりの燃料電池組立体においては、被改質ガスが被改質ガス供給管８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄを介して改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄに供給され、改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄを通して燃料ガスケース５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ内に規定されている燃料ガス室に供給され、次いでセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに供給される。

セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。

発電に使用されることなくセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室１２内に配設されている点火手段（図示していない）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室１２内は例えば１０００℃程度の高温になる。改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄは発電・燃焼室１２内に配設され、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室１２内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。

発電・燃焼室１２内に生成された燃焼ガスは熱交換器２４に形成されている排出開口４２から排出路３０に流入し、ジグザグ状に延在する排出路３０を流動した後に二重筒体５０の外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体５０における排出路を流動する際には、二重筒体５０における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。

そしてまた、燃焼ガスが熱交換器２４の排出路３０をジグザグ状に流動せしめられる際には、空気が熱交換器２４の流入路３２をジグザグ状に対向するように流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。

長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング２の前断熱壁１０或いは後断熱壁１１を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出す。

そして、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部におけるセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄのみを新しいものに交換して、再びハウジング２内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部あるいは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出し、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ自体を新しいものに或いは改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。

改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。

一方、空気は二重筒体５０の内側筒部材５４内に規定されている流入路を通して熱交換器２４の流入路３２に供給され、熱交換器２４を通過して予熱（加熱）された空気は、空気室１６に一旦貯留され、空気導入管２２を通って燃焼・発電室１２のセルスタック間に供給される。この際、空気導入管２２はセルスタック６０の燃料電池セル６２の上端の燃料ガス通路７４近傍で燃焼する燃焼ガス雰囲気中を通過する。従って、空気室１６の予熱空気はセルスタック６０上部の燃焼領域でさらに加熱され、高温に暖められた空気がセルに供給される。

通常運転時は前記熱交換器２４で予熱された空気が空気室１６に導入され、この空気室１６から空気導入管２２を用いて燃焼・発電室１２へ空気が導入されるが、発電室の温度が想定以上に上昇した場合は、前記熱交換器２４を通らない低温ガス供給管１８を通ってきた低温の空気が空気室１６に導入され、熱交換器２４を通過して予熱された空気と混合されて、空気室１６の空気温度がある程度低下する。この空気を発電室１２、即ち、セルスタック間に供給することにより、通常運転時より温度の低い空気がセルスタック間に導入されるので、発電室１２、即ち燃料電池セルの過度に上昇した温度が低下されるので、発電室内の温度を適宜にコントロールできる良好な燃料電池組立体が提供される。

また、空気室１６内の空気温度は、低温ガス供給管１８から供給された外気と、熱交換器２４を通過して予熱された空気と混合されるため、室温ほど低温の空気ではないので、熱い燃料電池セル６０に供給しても、燃料電池セル６０のクラックや熱衝撃破壊を引き起こすなどの不具合を避けることが出来るので、燃料電池発電システム全体の機能劣化が抑えられ寿命が延ばすことができる。

さらに、低温ガス供給管１８による低温ガスの供給を、空気供給管２２の開口部中央部に向けて供給することにより、さらに、両側の熱交換器から加熱された空気を開口部中央部に向けて供給することにより、最も加熱しやすいセル集合体の中央部に空気供給管２２により供給される空気を最も低温とでき、中央部から離れるに従って高い温度とすることができ、最適な冷却手段とすることができる。

また、ハウジング２内であってセル集合体の周囲に、蓄熱壁４４ａ、左側蓄熱壁４４ｂ、前蓄熱壁４４ｃ及び後蓄熱壁４４ｄ、下蓄熱壁４４ｅ、上断熱壁４４ｆを、ハウジング２の外面に上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁９、前断熱壁１０及び後断熱壁１１を配置することにより、セル周囲の高温の熱を蓄熱壁により蓄熱するとともに、外部への熱放散を蓄熱壁及び断熱材と併せて効果的に抑制することができ、分散型発電用の燃料電池組立体において、発熱量の少ない部分負荷運転時においても、有効に発電温度を維持できる。

即ち、分散型発電用の燃料電池組立体では発電量は少ないため小型であり、定常運転時には熱自立し、効果的に発電するが、燃料ガス量を少なくして発電量を少なくした場合、発熱量が少なくなり、熱自立しなくなる傾向にあるが、本発明では、断熱壁によりハウジング内に熱を有効に閉じ込め、定常運転時の高温の熱を蓄熱壁に吸収させ、部分負荷運転し発熱量が少なくなった場合に熱を放散させ、ハウジング内の温度を有効に維持できる。

尚、本発明では、改質ケースはセルスタックの上方以外の場合でも、改質ケースをハウジング内に設けない場合であっても良い。

また、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設け、空気供給管により、燃料電池セルの外面に空気を供給する場合について説明したが、空気供給管により燃料電池セルの内部に空気を供給するようにしても良いことは勿論である。尚、この場合、燃料電池セルの内側には空気極が、外側には燃料極が形成されることは言うまでもない。

そして、本発明では、被改質ガス供給管８２a〜８２ｄは、ハウジング２の外部において、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置９１に接続されている。この燃料ガス供給装置９１により、被改質ガスが被改質ガス供給管８２a〜８２ｄに所定圧力で供給される。

（運転方法）
分散型発電を行う家庭等において、図６に示すように、電力需要は、朝食時及び夕食時の時間帯に非常に多く、夜中や昼間の時間帯では極端に少なくなり、３００Ｗ以下の使用電力が数時間以上継続する。電力需要が非常に多い場合は、燃料電池における発電量（最大出力）よりも多い部分については、電力会社からの電力で賄うことになる。

そして、本発明においては、電力使用量が少ない時間帯においては、発電部の動作温度が、電力使用量が多い時間帯（最大出力の時間帯）の発電部の動作温度よりも低く設定されている。動作温度を低くするということは、この動作温度において熱自立することであり、熱自立するということは、外部からの熱源なしで、所定量の発電を継続して行うことである。

即ち、例えば、燃料電池の最大出力が１ｋＷである場合には、それを超える電力需要がある場合、最大出力を上回る電力については電力会社からの電力で賄い、例えば、夜中等において電力需要が３００Ｗ以下の場合には、燃料電池の最大出力の時の発電部の温度（例えば、７５０℃）よりも、１００℃以上低下させ、燃料電池の出力を一定に維持する。勿論、動作温度を低下させた場合も熱自立する必要がある。逆に言えば、熱自立する温度であれば、動作温度は低い方が望ましい。発電部とは、ハウジング２内の固体電解質型燃料電池セル６２であり、発電部の動作温度とは、前記燃料電池セル６２の反応温度である。

例えば、朝食時間帯や夕食時間帯では、動作温度を７５０℃に設定し、１ｋＷの出力を維持して出力させ、夜中や昼間の電力需要が３００Ｗ以下の場合には、動作温度を６５０℃に設定し、この温度での燃料電池の出力を、例えば３００Ｗと一定にして出力する。動作温度を低下させる時間帯での出力は家庭によって異なるため、任意に設定する。例えば、電力需要が２００Ｗ以下の場合には燃料電池の出力を２００Ｗに維持できる。この場合、動作温度を低下させる程、効率は低下するものの、熱自立に必要な燃料ガスの使用量は少なくなるため、全体として燃料ガス使用量は低下する。

動作温度を低下させる方法としては、夜中や昼間の電力需要が少ない時間帯では、朝食時や夕食時の時間帯よりも、上記燃料ガス供給装置９１による被改質ガスの供給圧を低下させ、燃料電池セル６２への燃料ガス供給量を低下させる。これにより、余剰燃料ガスが少なくなり、燃料電池セルの上方での燃焼ガスが少なくなり、ハウジング２内の温度が低下する。これにより、セルスタックの温度が低下し、発電部の温度が低下することになる。

発電部の温度が低下した状態で熱自立するため、発電量も低下するが、要求される電力も少ないため、特に問題は生じない。

動作温度を低下させる時間帯は、３００Ｗ以下の電力使用量が１時間以上継続する場合であることが望ましい。例えば３０分以上継続する場合のように、より短時間に設定することにより、細かな制御が可能となる。特には、３００Ｗ以下の電力使用量が１時間以上継続する場合で、かつ燃料電池からの温水を使用しない場合であることが望ましい。

発電部の動作温度を低下させる時間は、１日のうち一定時間に固定して設定されていても良く、一定期間内の低電力使用パターンを学習し、一定期間のうちの一定時間に動作温度を低下させるようにしても良い。

また、本発明の燃料電池システムでは、動作温度を低下させる時間帯において、１００Ｗ以下の電力使用量が１時間以上継続する場合、又は１００〜３００Ｗの電力使用量が５時間以上継続する場合には、燃料電池の発電を停止させることもできる。

本発明者は、上記燃料電池組立体を用いて出力と発電効率の関係を実験により求めた。図７は燃料電池の出力と発電効率を示すグラフであり、このグラフによれば、１ｋＷで熱自立する場合（動作温度が７５０℃）、１ｋＷの発電効率は４０％であるものの、出力（電力需要）が低下するにつれて発電効率が低下し、出力が３００Ｗのときの発電効率は１８％程度となる。一方、出力が３００Ｗのときの動作温度を６００℃に低下させた場合、出力が３００Ｗのときの発電効率が２８％と大きく向上していることがわかる。さらに、他の部分負荷においても動作温度を下げることで、発電効率が上昇していることがわかる。出力が７００Ｗ以上の時の効率が記載されていないのは、温度が低下することによって、７００Ｗ以上の出力が得られないためである。これらの出力も動作温度を１００℃以下ではなく、例えば５０℃等の低下に設定すれば、７５０℃運転よりも発電効率を上昇することはできる。

従って、本発明によれば、電力使用量が少ない時間帯において、発電部の動作温度を低くするため、発電部の動作温度を維持するための燃料ガス使用量が少なくなり、発電効率が高くなり、このため、燃料ガスの使用量が少なくなり、コストが低く、ＣＯ_２排出量も少なくなることがわかる。

尚、上記形態では、図１乃至図５に示す燃料電池組立体について説明したが、特に限定されるものではない。

本発明の発電システムの好適実施形態を示す断面図。 図１の平面図。 図１の燃料電池組立体に使用されている発電ユニット集合体を示す斜視図。 図３の発電ユニットを示す斜視図。 図３のセルスタックを示す断面図。 電力需要の変化を示すグラフである。 燃料電池の出力と発電効率の関係を示すグラフである。

符号の説明

２：ハウジング
１２：発電・燃焼室
１６：空気室（ガス室）
１８：低温ガス供給手段
２２：空気供給管（ガス供給管）
２４：熱交換器
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄ：発電ユニット
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ：燃料ガスケース
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ：セルスタック
６２：燃料電池セル
７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ：改質ケース
９１：燃料ガス供給装置

Claims (10)

1. 発電部を有する燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを具備するとともに、電力使用量が多い時間帯と少ない時間帯が存在する環境で使用される発電システムの運転方法であって、前記電力使用量が少ない時間帯の発電部の動作温度を、前記電力使用量が多い時間帯の発電部の動作温度よりも低くしたことを特徴とする発電システムの運転方法。
2. 電力使用量が少ない時間帯の発電部の動作温度は、電力使用量が多い時間帯の発電部の動作温度よりも１００℃以上低いことを特徴とする請求項１記載の発電システムの運転方法。
3. 動作温度を低下させる時間帯は、３００Ｗ以下の電力使用量が１時間以上継続する場合であることを特徴とする請求項１又は２記載の発電システムの運転方法。
4. 燃料電池の排熱を利用して温水を供給する手段を有し、動作温度を低下させる時間帯は、３００Ｗ以下の電力使用量が１時間以上継続する場合で、かつ前記温水を使用しない場合であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の発電システムの運転方法。
5. 発電部の動作温度を低下させる時間は、１日のうち一定時間帯に固定して設定されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の発電システムの運転方法。
6. 一定期間内の低電力使用パターンを学習し、一定期間のうちの一定時間帯に動作温度を低下させることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の発電システムの運転方法。
7. 動作温度を低下させる時間帯において、燃料電池の出力は一定であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の発電システムの運転方法。
8. 燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置からの燃料ガス供給量を低下させ、動作温度を低下させることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の発電システムの運転方法。
9. 動作温度を低下させる時間帯において、１００Ｗ以下の電力使用量が１時間以上継続する場合、又は１００〜３００Ｗの電力使用量が５時間以上継続する場合には、燃料電池の発電を停止させることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれかに記載の発電システムの運転方法。
10. 固体電解質型燃料電池を用い、分散型発電を行うことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれかに記載の発電システムの運転方法。

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